Diseño y construcción de un osciloscopio automotriz de bajo costo con programación en arduino

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN OSCILOSCOPIO

AUTOMOTRIZ DE BAJO COSTO CON PROGRAMACIÓN EN

ARDUINO

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

ÁLVARO RODOLFO ALOMOTO USHIÑA

DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO

DECLARACIÓN

Yo ÁLVARO RODOLFO ALOMOTO USHIÑA, declaro 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.

_________________________

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño Y Construcción De Un Osciloscopio Automotriz De Bajo Costo Con Programación En Arduino”, que para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Álvaro Alomoto, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

___________________ Ing. Alexander Peralvo

DIRECTOR DELTRABAJO

DEDICATORIA

AGRADECIMEINTO

A Dios por darme salud y vida para ir cosechando logros en mi vida.

A mi padre Rodolfo Alomoto quien con su gran sacrificio, me ha sabido llevar y guiar por un buen camino, brindándome sabios consejos y motivación para nunca claudicar ante las adversidades de la vida.

A mi madre Pastora Ushiña por siempre estar pendiente de mí, por siempre apoyarme en las situaciones más difíciles de mi vida, quien se ha desvelado preocupándose por mi salud e integridad.

A mi novia Pamela quien ha sido un pilar fundamental en los últimos años, y que con su inmenso cariño me ha ayudado a salir adelante, superando los obstáculos que se me han presentado a lo largo de mi carrera universitaria.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ... x

ABSTRACT ... xi

1. INTRODUCCIÓN ... 1

2. MARCO TEÓRICO ... 3

2.1. SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO EN EL AUTOMÓVIL. ... 3

2.2. SENSORES ... 4

2.2.1. DEFINICIÓN ... 4

2.2.2. TIPOS DE SENSORES. ... 5

2.2.2.1. Sensores Magnéticos ... 5

2.2.2.2. Sensor Efecto Hall ... 6

2.2.2.3. Sensores por conductividad eléctrica ... 7

2.2.2.4. Sensores Termoeléctricos ... 8

2.2.2.5. Sensores Piezoeléctricos. ... 9

2.2.3. SENSORES AUTOMOTRICES ... 10

2.2.3.1. Clasificación de los sensores del automóvil ... 11

2.2.3.2. Sensor de presión Absoluta (MAP) ... 12

2.2.3.3. Sensor de flujo de masa de aire (MAF) ... 14

2.2.3.4. Sensor de posición del cigüeñal (CKP) ... 16

2.2.3.5. Sensor de posición del árbol de Levas (CMP) ... 17

2.2.3.6. Sensor de Temperatura de refrigerante del motor (ECT) ... 18

2.2.3.7. Sensor de Temperatura del aire de entrada (IAT) ... 20

2.2.3.8. Sensor de Oxígeno (O2) ... 21

2.2.3.9. Sensor de posición del acelerador (TPS) ... 24

2.2.4. ACTUADORES ... 25

ii

2.2.4.2. Inyector ... 27

2.2.4.3. Válvula IAC ... 28

2.3. OSCILOSCOPIO ... 29

2.3.1. DEFINICIÓN ... 29

2.3.2. TIPOS DE OSCILOSCOPIOS ... 30

2.3.2.1. Osciloscopio Analógico ... 30

2.3.2.2. Osciloscopio digital ... 31

2.3.3. TÉRMINOLOGÍA DE UN OSCILOSCOPIO ... 34

2.3.3.1. Onda ... 34

2.3.3.2. Frecuencia, Ciclo y Periodo. ... 37

2.3.3.3. Voltaje (V) ... 38

2.3.3.4. Corriente (I) ... 38

2.3.3.5. Resistencia (R) ... 38

2.3.4. PANTALLA DE UN OSCILOSCOPIO ... 39

2.3.4.1. Divisiones o Cuadrículas ... 39

2.3.4.2. Línea de Voltaje (Y) ... 39

2.3.4.3. Línea del Tiempo (X) ... 40

2.4. ELECTRÓNICA DE POTENCIA ... 40

2.4.1. SEMICONDUCTORES ... 40

2.4.2. TRANSISTORES ... 41

2.4.3. DIVISORES DE TENSIÓN ... 42

2.4.4. AMPLIFICADORES OPERACIONALES ... 42

2.5. ARDUINO ... 43

2.5.1. ELECCIÓN DE ARDUINO ... 44

2.5.2. CARACTERÍSTICA TÉCNICAS DE ARDUINO ... 44

2.5.2.1. Entradas y salidas ... 46

2.5.2.2. Pines especiales de entrada y salida ... 46

2.5.3. PLACAS DE ARDUINO OFICIALES EXISTENTES... 47

2.5.4. PROGRAMACIÓN DE ARDUINO ... 48

2.5.4.1. Funciones ... 49

iii

3. METODOLOGÍA ... 51

3.1. DISEÑO FUNCIONAL ... 51

3.2. ANÁLISIS DE DISEÑO ... 51

3.3. FINALIDAD DEL DISEÑO ... 52

3.4. DISEÑO DEL OSCILOSCOPIO ... 53

3.4.1. PLATAFORMA Y ESCUDO DE ARDUINO ... 54

3.4.2. INVERSOR ... 56

3.4.3. ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 59

3.4.4. ACONDICIONAMIENTO DIGITAL DE 0V-5V ... 60

3.4.5. ACONDICIONAMIENTO DIGITAL DE ALTO VOLTAJE ... 61

3.4.6. COMUNICACIÓN ... 63

3.4.7. SCOPINO ... 64

3.5. CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL OSCILOSCOPIO ... 65

3.5.1. ELABORACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ... 65

3.5.2. IMPRESIONES Y CONSTRUCCIÓN DE LAS PLACAS. ... 67

3.6. ENSAMBLAJE FINAL ... 70

3.6.1. CAJA DEL OSCILOSCOPIO ... 70

3.6.2. FUNCIONALIDAD DE LAS TARJETAS ... 71

3.6.3. UBICACIÓN Y CONEXIÓN FINAL... 72

3.7. DIAGRAMAS FINALES DEL OSCILOSCOPIO ... 74

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 77

4.1. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 77

4.1.1. SENSOR CMP ... 77

4.1.2. INYECTOR ... 79

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 82

5.1. CONCLUSIONES ... 82

iv

NOMENCLATURA O GLOSARIO ... 86

BIBLIOGRAFÍA ... 89

v

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Características de Funcionamiento de Arduino Uno ... 47

Tabla 2. Osciloscopios Automotrices ... 52

Tabla 3. Voltajes máximos de elementos electrónicos ... 53

vi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Control electrónico ... 3

Figura 2. Magnitudes físicas de los sensores ... 4

Figura 3. Sensor magnético ... 6

Figura 4. Efecto Hall ... 7

Figura 5. Sensor Lambda ... 8

Figura 6. Sensor Termoeléctrico ... 9

Figura 7. Principio Piezoeléctrico ... 10

Figura 8. Características de los sensores automotrices. ... 10

Figura 9. Funcionamiento Sensor MAP ... 13

Figura 10. Sensor MAP ... 13

Figura 11. Oscilograma sensor MAP ... 14

Figura 12. Sensor MAF ... 15

Figura 13. Oscilograma Sensor MAF ... 16

Figura 14. Principio de funcionamiento CKP Inductivo ... 17

Figura 15. Oscilograma CKP... 17

Figura 16. Sensor de posición del árbol de levas CMP ... 18

Figura 17. Oscilograma sensor CMP ... 18

Figura 18. Coeficiente Negativo ... 19

Figura 19. Circuito Eléctrico del sensor ECT ... 19

Figura 20. Oscilograma sensor ECT ... 20

Figura 21. Sensor IAT ... 21

Figura 22. Oscilograma sensor IAT ... 21

Figura 23. Estructura del Sensor de Oxígeno ... 22

Figura 24. Gráfico Sensor de Oxígeno ... 23

Figura 25. Oscilograma Sensor de Oxígeno ... 23

Figura 26. Diagrama Eléctrico Sensor TPS ... 24

Figura 27. Oscilograma Sensor TPS ... 25

Figura 28.Tipos de Actuadores ... 26

Figura 29. Componentes del Inyector ... 28

vii

Figura 31. Oscilograma Válvula IAC ... 29

Figura 32. Osciloscopio Análogo ... 30

Figura 33. Diagrama del Osciloscopio Analógico ... 31

Figura 34. Osciloscopio Digitales ... 32

Figura 35. Diagrama Osciloscopio Digital ... 32

Figura 36. Muestras del osciloscopio Digital ... 33

Figura 37. Onda Senoidal ... 35

Figura 38. Onda Cuadrada ... 36

Figura 39. Onda Triangular ... 36

Figura 40 Frecuencia, Ciclo y Período ... 37

Figura 41. Divisiones de un osciloscopio ... 39

Figura 42. Diodo ... 41

Figura 43. Transistores NPN y PNP ... 42

Figura 44. Amplificador Operacional ... 43

Figura 45. Tipos de placas Arduino ... 45

Figura 46. Tipos de Arduino. ... 48

Figura 47. Ejemplo de estructura de programación ... 49

Figura 48.Ejemplo de Código ... 50

Figura 49. Escudo de Arduino ... 55

Figura 50. Diagrama del inversor ... 57

Figura 51. Diagrama Acondicionador Analógico ... 59

Figura 52. Acondicionamiento Digital de Alto Voltaje ... 62

Figura 53. Código de Arduino ... 64

Figura 54. Software Scopino ... 64

Figura 55. Circuito Eléctrico del Inversor ... 65

Figura 56. Circuito Eléctrico de alto voltaje ... 66

Figura 57. Circuito Eléctrico del conversor digital de 0V-5V ... 66

Figura 58. Circuito Electrónico del Acondicionador Analógico ... 67

Figura 59. Circuitos Impresos ... 68

Figura 60. Tratamiento Químico ... 68

Figura 61. Baquelita y sus pistas antes de la limpieza ... 68

viii

Figura 63 Componentes electrónicos a soldarse ... 69

Figura 64 Unión por suelda de los componentes ... 70

Figura 65 Tarjetas con sus elementos soldados ... 70

Figura 66 Caja del Osciloscopio ... 71

Figura 67. Pruebas de Funcionalidad con el multímetro ... 71

Figura 68. Pruebas independientes de las tarjetas ... 72

Figura 69. Dispositivos ubicados en la caja ... 73

Figura 70. Conexión de todas las tarjetas con sus accionamientos ... 74

Figura 71. Diagrama General de Funcionamiento ... 74

Figura 72. Conexión Bluetooth ... 76

Figura 73. Pruebas en un Hyundai Accent 1.6 ... 77

Figura 74. CMP a 900 RPM ... 78

Figura 75. CMP A 2500 RPM ... 78

Figura 76. Oscilograma con un osciloscopio Automotriz ... 79

Figura 77. Oscilograma de un Inyector ... 80

Figura 78. Oscilograma de Un inyector con menos (ms) por división ... 80

ix

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO 1 ... 92 LM358

ANEXO 2 ... 95 Transistor 2N3055

ANEXO 3 ... 98 PIC 12F629

ANEXO 4 ... 103 HC-06

ANEXO 5 ... 108 Arduino Uno

ANEXO 6 ... 109 Códigos de Programación de Arduino

x

RESUMEN

xi

ABSTRACT

1

1.

INTRODUCCIÓN

La necesidad a nivel mundial de contar día a día con autos de mayor potencial tecnológico ha permitido que las empresas automotrices incrementen su tecnología con la finalidad de brindar mayor seguridad y confort a sus diferentes usuarios; sin embargo este desarrollo tecnológico implica añadir más componentes eléctricos y electrónicos, lo que significa un mayor número de sensores y actuadores para el correcto funcionamiento del automóvil.

Al existir un gran número de componentes electrónicos, se vuelve indispensable contar con equipos y herramientas para un diagnóstico adecuado de dichos componentes; hay que tomar en cuenta que cada uno de ellos cuentan con una tecnología y fin específico dentro del automóvil, por ello mantenerlos en óptimas condiciones se vuelve de vital importancia, para lo cual se necesita de multímetros, puntas lógicas y en especial un osciloscopio automotriz que nos permita ver el funcionamiento de sensores y actuadores en tiempo real, de esta manera se puede apreciar si algún componente está o no trabajando en las condiciones adecuadas que el vehículo las necesita.

El presente trabajo busca brindar la accesibilidad a técnicos y estudiantes del área automotriz a introducirse en el diagnóstico de sensores y actuadores, a través de un osciloscopio para poder detectar sus posibles fallas por medio de gráficas de funcionamiento mostradas en tiempo real, permitiendo al usuario reconocer el tipo de onda mostrada por el sensor o actuador y por medio de parámetros de funcionamiento se puede dar un buen diagnóstico del o los componentes analizados.

2 componentes representa un costo muy elevado. Por tal motivo el presente trabajo tiene como objetivo principal diseñar y construir un osciloscopio automotriz de bajo costo, con programación arduino que puede ser usado por ingenieros, técnicos y estudiantes que necesiten conocer el estado de un vehículo a través de gráficas de funcionamiento, también es necesario recopilar la información acerca de sensores y actuadores del vehículo, analizar los distintos tipos y componentes de los osciloscopios automotrices, diseñar el medio físico que permita visualizar los parámetros de funcionamiento e implementar el hardware y software respectivo para finalmente realizar las pruebas de funcionamiento del osciloscopio en el automóvil.

A lo largo del trabajo se han presentado muchas limitaciones para su desarrollo en cuestiones tecnológicas, costos de diseño y fabricación, sin embargo en su desarrollo se optó por las mejores opciones para brindar una mayor comodidad al momento de usarlo; el osciloscopio automotriz de bajo costo presenta restricciones de funcionamiento al contar únicamente con materiales que se encuentran en el mercado nacional y no son de uso instrumental.

3

2. MARCO TEÓRICO

2.1.

SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO EN EL

AUTOMÓVIL.

El sector automotriz ha evolucionado enormemente, por lo cual es indispensable dar a conocer sobre los distintos componentes que intervienen en la gestión de control electrónica del automóvil de una manera clara, fácil y sistemática, de este modo poder reconocer los distintos componentes electrónicos del automóvil; a su vez es importante tener claro cuál es la secuencia lógica de los componentes electrónicos para su correcto funcionamiento en el control del automóvil; dicha secuencia se la observa en la Figura.1

Figura 1. Control electrónico (Mejía Paúl: Poma José, 2013)

A continuación claramente se puede apreciar los componentes generales del sistema de control electrónico.

 Sensores

 Unidad de Control.  Actuadores

4

2.2. SENSORES

“Los sensores son los encargados de emitir la información necesaria a la unidad de control, para que esta a su vez procese la información y emita la señal adecuada para el correcto funcionamiento de diversos componentes en el automóvil.

Actualmente los automóviles cuentan con una gran cantidad de sensores (60-70), su número depende de las prestaciones que dará el automóvil, a su vez todos ellos son necesarios para la gestión electrónica del automóvil.” (Mejía Paúl: Poma José, 2013)

2.2.1. DEFINICIÓN

“El sensor ya sea en el área automotriz o en otras áreas, siempre trabajará bajo la función de convertir una magnitud física como la temperatura, presión, velocidad, posición, vibración, movimientos, golpes, reacciones químicas en otro tipo de energía”, como se muestra en la figura.2. (Mecánica Automotriz Fácil, 2010)

5 También debe especificar que el fenómeno de transducción se puede dar de dos maneras; las mismas que se detalla a continuación.

 “Activo: la magnitud física a detectar, proporciona la energía necesaria para la generación de la señal eléctrica. Por ejemplo piezoeléctricos o magnéticos.

 Pasivo: cuando la magnitud a detectar se limita a modificar algunos de los parámetros eléctricos característicos del elemento sensor, como ser resistencia o reluctancia.” (SEAT, 2010).

2.2.2. TIPOS DE SENSORES.

Existe una gran variedad de sensores, que se los clasifica acorde a la magnitud física que recibe, es decir bajo que fenómeno o principio físico funciona; tomando en cuenta estos parámetros los sensores se clasifican de la siguiente manera:

 “Magnético.  Por efecto hall.

 Por conductividad eléctrica.  Termoeléctricos.

 Piezoeléctricos.” (SEAT, 2010)

2.2.2.1. Sensores Magnéticos

6 Estos sensores normalmente están compuestos de un imán permanente, una bobina y una rueda dentada de material ferromagnético, para poder producir una distorsión del campo magnético, y de esta manera se genere una corriente alterna como lo muestra la Figura 3.

Figura 3. Sensor magnético (SEAT, 2010)

“Los sensores magnéticos son conocidos como sensores de inducción lo cual significa producir una tensión eléctrica mediante la modificación de la dirección del campo magnético de una bobina.

Cuanto más grande es el número de espiras de la bobina más fuerte es el flujo magnético y cuanto más rápido es el movimiento, más alta es la tensión producida. El sensor inductivo consta básicamente de un imán permanente rodeado por una bobina.” (Candiano, 2012)

2.2.2.2. Sensor Efecto Hall

7 semiconductor, se genera una tensión, debido a la desviación de las líneas de la corriente, producto del campo magnético, el efecto hall se lo observa en la figura 4.

Figura 4. Efecto Hall (Pablo Heredia, 2011)

“Si se aplica una tensión a un conductor y perpendicularmente al mismo un campo magnético, se origina una tensión perpendicular al sentido de la corriente y al campo magnético denominado tensión de Hall U.

UH= R.IV.B/d. [1]

R Constante Hall.

IV Corriente de Alimentación.

B Campo Magnético.

D Espesor del conductor.” (Candiano, 2012)

2.2.2.3. Sensores por conductividad eléctrica

8 “La conductividad de un material puede originarse por un cambio en su estructura atómica, en la cual se permite que los electrones puedan circular libremente o bien facilitar el paso de iones de otras sustancias (los iones son átomos cargados eléctricamente)”. (SEAT, 2010)

Hay que mencionar que uno de los sensores que trabaja bajo este principio es el sensor de oxígeno o sensor lambda, representado en la figura 5

Figura 5 Sensor Lambda (Pablo Heredia, 2011)

2.2.2.4. Sensores Termoeléctricos

Los sensores termoeléctricos trabajan o actúan haciendo uso de las propiedades de varios materiales, los cuales presentan una sensibilidad a los cambios de temperatura. Al hablar de propiedades se hace hincapié que mientras se aumenta la temperatura en un material este se dilata, y al hablar de metales, estos cambian o alteran su resistencia eléctrica.

9 (SEAT, 2010) mencionó que “en el sector automotriz existen sensores termoeléctricos del Tipo NTC y PTC, los cuáles indican si es un coeficiente de dilatación negativo o positivo.”

En el sector automotriz, existen varios sensores que trabajan bajo el principio anteriormente denominado, algunos de ellos son los sensores de temperatura del líquido refrigerante, el sensor de medición de masa de aire, entre otros.

Figura 6. Sensor Termoeléctrico (SEAT, 2010)

2.2.2.5. Sensores Piezoeléctricos.

Este tipo de sensores actúan bajo el principio piezoeléctrico, el mismo que consiste en obtener una pequeña tensión o la disminución de su resistencia, cuando este se deforma debido a una fuerza aplicada como se observa en la figura 7.

10

Figura 7. Principio Piezoeléctrico (SEAT, 2010)

2.2.3. SENSORES AUTOMOTRICES

Un sensor usado en la industria automotriz está diseñado para trabajar en óptimas condiciones cuando el automóvil esté funcionando, y esto implique que el sensor esté sometido a duras exigencias físicas y químicas que se presentan ya sea en el motor o en los distintos lugares donde se encuentran ubicados los sensores, para ello los sensores automotrices deben contar con una serie de características como se indica en la figura.8, y así cumplir correctamente su función.

11

2.2.3.1. Clasificación de los sensores del automóvil

Dentro del automóvil podemos encontrar una clasificación de los sensores, acorde a su funcionalidad, tomando en cuenta lo expuesto su clasificación es la siguiente:

 Función y aplicación

Según esta característica los sensores se dividen en:

 Sensores funcionales, destinados principalmente a tareas de mando y regulación.

 Sensores para fines de seguridad y aseguramiento (protección antirrobo).

 Sensores para la vigilancia del vehículo (diagnosis de a bordo, magnitudes de consumo y desgaste) y para la información del conductor y de los pasajeros.

 Según la señal de salida del sensor

Teniendo en cuenta esta característica los sensores se pueden dividir en:

 “Los que proporcionan una señal analógica (ejemplo: la que proporciona el caudalímetro o medidor de caudal de aire aspirado, la presión del turbo, la temperatura del motor etc.).

12

 Los que proporcionan señales pulsatorias (ejemplo: sensores inductivos con informaciones sobre el número de revoluciones).” (Meganeboy, 2015)

Tomando en cuenta esta clasificación, dentro del automóvil podemos encontrar entre los principales sensores o transductores, los siguientes:

 Sensor de presión absoluta del múltiple MAP.  Sensor de la masa de aire MAF

 Sensor de posición del ángulo del cigüeñal CAS-CKP.  Sensor de posición del árbol de levas CMP.

 Sensor de temperatura del refrigerante del motor ECT  Sensor de temperatura del aire IAT-MAT-ATS.

 Sensor de oxigeno EGO-HEGO-O2.

 Sensor de posición de la mariposa del acelerador TPS.

Además de los sensores mencionados, podemos tener como señales de entrada:

 interruptores de indicación de la caja de cambios  Sensor de frenos ABS.

 Aire acondicionado.  Voltaje de la batería.

2.2.3.2. Sensor de presión Absoluta (MAP)

13 El sensor entrega información del estado de carga del motor para que la ECU pueda hacer los respectivos cálculos y así determinar el avance al encendido o la entrega de combustible adecuada, dependiendo las condiciones a la que está operando el motor.

El sensor normalmente va montado sobre el múltiple de admisión o sobre la carrocería que a su vez la interconecta con una manguera que va conectada a un puerto del múltiple.

“Cuando existe una condición de baja carga de motor y un alto vacío, la ECU se encarga de empobrecer la mezcla aire combustible y avanza el encendido para así lograr una mayor economía de combustible. Por el contrario, cuando se genera una alta carga y un bajo vacío, la ECU enriquece la mezcla y retrasa la sincronización del encendido para evitar el fenómeno de la detonación o pistoneo”. (Flores, 2010).

Figura 9. Funcionamiento Sensor MAP (Flores, 2010)

14

Figura 11. Oscilograma sensor MAP (Carrillo, 2014)

2.2.3.3. Sensor de flujo de masa de aire (MAF)

Un sensor MAF es un sensor de flujo de masa de aire al motor, y su función primordial es indicar la cantidad de aire que el motor aspira o ingresa hacia la admisión en una señal de voltaje. Es importante este sensor ya que la ECU necesita determinar el volumen de aire para de esta manera calcular la carga del motor, para posteriormente determinar la cantidad de combustible a inyectar y cuando iniciar la chispa en cada uno de los cilindros.

El sensor MAF normalmente en los vehículos van localizados en el conducto ubicado entre el filtro y el cuerpo de aceleración, debido a que son lugares estratégicos para que la ECU pueda determinar la proporción o cantidad de aire que ingresa al motor.

15 “El termistor mide la temperatura del aire que ingresa al motor. El cable de platino es mantenido a una temperatura constante en relación a la temperatura del termistor y ese mantenimiento de temperatura es realizado por el circuito de control electrónico. Un incremento en el flujo de aire ocasionará que el cable caliente de platino pierda calor con lo que disminuiría su temperatura y entonces lo que sucede en esos milisegundos, es que el circuito de control electrónico dentro del sensor compensará esa pérdida de calor del cable al enviar más corriente eléctrica a través del cable para mantenerlo caliente.

El circuito de control electrónico simultáneamente mide el flujo de corriente con lo que envía una señal de voltaje en proporción al flujo de corriente eléctrica, es decir, entre mayor sea la cantidad de aire que entre al motor ese incremento de aire enfriará más rápido al cable caliente, en consecuencia el circuito de control electrónico aumentará la corriente eléctrica para calentar más al cable de platino y justo cuando eso suceda, el mismo circuito de control electrónico se encargará de enviarle a la PCM una señal electrónica de incremento de voltaje; entre más aire ingrese al motor mayor será la señal de voltaje hacia la PCM”. (Carrillo, 2014)

16

Figura 13. Oscilograma Sensor MAF (Oterino, 2015)

2.2.3.4. Sensor de posición del cigüeñal (CKP)

Es el sensor de posición del cigüeñal y RPM del motor, la finalidad es enviar la información a la computadora acerca de la posición del cigüeñal y RPM del motor para que la computadora pueda determinar la posición del cilindro N° 1, para poder sincronizar el tiempo de encendido y la repetición de la inyección.

En el sector automotriz podemos encontrar sensores CKP con distinto principio de funcionamiento, pero los más comunes son los Inductivos y los de efecto Hall. El sensor CKP inductivo para su funcionamiento utiliza una rueda dentada o conocida como rueda fónica, adicionalmente cuenta con elementos fijos como el imán permanente y la bobina.

17

Figura 14. Principio de funcionamiento CKP Inductivo (Flores, 2010)

Figura 15. Oscilograma CKP (Carrillo, 2014)

2.2.3.5. Sensor de posición del árbol de Levas (CMP)

El CMP es un sensor de tipo magnético y se encuentra en la cabeza del motor a la altura del árbol de levas, su función es la de verificar o cerciorar que el árbol de levas se encuentre girando adecuadamente, y con la señal que envía hacia la ECU esta regula la mezcla aire-combustible.

18 calculador defina un cilindro de referencia que servirá para respetar el orden de encendido e inyección.” (Calderón & Caluguillin, 2011)

Figura 16. Sensor de posición del árbol de levas CMP (Calderón & Caluguillin, 2011)

Figura 17. Oscilograma sensor CMP (Oterino, 2015)

2.2.3.6. Sensor de Temperatura de refrigerante del motor (ECT)

19

Figura 18. Coeficiente Negativo (Flores, 2010)

Al hablar de sensores NTC lo que representa es que cuando aumenta la temperatura, en este caso del refrigerante , su resistencia experimenta una disminución en su valor y por ende su voltaje (señal) disminuye, y esta variación de voltaje es lo que llega a la ECU, para que pueda determinar la temperatura del motor, y así enriquecer automáticamente la mezcla aire - combustible cuando el motor está frío y la empobrezca paulatinamente en el incremento de la temperatura, hasta llegar a la temperatura ideal de trabajo, momento en el cual se mantiene la mezcla ideal. El ECT se localiza en la manguera de entrada del anticongelante, justo por el termostato.

20

Figura 20. Oscilograma sensor ECT (Carrillo, 2014)

2.2.3.7. Sensor de Temperatura del aire de entrada (IAT)

Este sensor es el encargado de monitorear la temperatura de aire de entrada; este es un sensor de tipo NTC lo que significa que es una resistencia eléctrica que varía con la temperatura con coeficiente negativo, lo que nos dice que cuando aumenta la temperatura del aire, la resistencia disminuye y la tensión o voltaje que recibe la computadora es menor. La ubicación del sensor es en la entrada de aire o en el portafiltros del motor.

21

Figura 21. Sensor IAT (Cajas & Russo, 2004)

Figura 22. Oscilograma sensor IAT (Carrillo, 2014)

2.2.3.8. Sensor de Oxígeno (O2)

Con la aparición de la inyección electrónica, apareció un sensor muy importante

para el correcto funcionamiento del vehículo, dicho sensor es el de oxígeno o

también conocido como sonda lambda; los vehículos con este tipo de sensores

utilizan su información para determinar la cantidad de oxígeno que está

22 determinar si es una mezcla rica o pobre y dependiendo de esto inyectar más o

menos combustible.

Su ubicación normalmente está ubicada en el múltiple de escape en vehículos

que poseen un solo sensor de oxígeno, ya que varios modelos de automóviles

tienen 2 y 3 sensores de oxígeno ubicados a lo largo del sistema de escape.

Para entender su funcionamiento debemos conocer sus componentes; entonces

principalmente un sensor de oxígeno consta de una parte cerámica de óxido de

circonio, y a sus lados tenemos electrodos de platino, el circonio por uno de sus

lados está expuesto a los gases de escape y por el otro está expuesto a la

atmósfera, su particularidad es que puede detectar los iones de oxígeno y así

determinar o comparara la cantidad de oxígeno que hay en los gases de escape

en relación al oxígeno presente en la atmósfera.

Figura 23. Estructura del Sensor de Oxígeno (Candiano, 2012)

El sensor genera una señal de voltaje basada en la cantidad de oxígeno contenido en el gas de escape comparándola con la cantidad de oxígeno presente en el aire del ambiente, dicha señal varía constantemente y es lo que se observará en un osciloscopio.

23 comparación entre cada lado expuesto para tener esa variación de voltaje que monitorea la ECU.

Figura 24. Gráfico Sensor de Oxígeno (Candiano, 2012)

Es muy importante conocer que si los valores en voltaje son superiores a 0.6V, esto indica que es una mezcla rica y menor a 0.4 V es mezcla pobre, y partiendo de estos valores podemos dar el diagnóstico o entender el oscilograma.

24

2.2.3.9. Sensor de posición del acelerador (TPS)

El TPS (Throttle Position Sensor

) es

el sensor de posición de la mariposa, el cual va instalado sobre el cuerpo de aceleración, y lo que hace es medir el ángulo de la mariposa, convirtiendo este ángulo o apertura en una señal eléctrica, a medida que el ángulo se incrementa, también se incrementa el voltaje y esta señala es la que recibe la computadora y ella la utiliza para determinar varios parámetros dentro del funcionamiento de un motor de inyección electrónica. La ECU utiliza la información para el control de combustible, el tiempo de encendido, y en algunos tipos de TPS para controlar la marcha mínima.

El sensor TPS normalmente es de tipo potenciómetro, ya sea lineal o rotativo, su función será siempre la misma; en términos generales con la mariposa totalmente abierta (85°) en este instante se tendrá un voltaje del 90% del voltaje de referencia (5V), y con l mariposa cerrada se obtiene un 12 % del voltaje de referencia y con estos calores la computadora calcula o determina las funciones antes mencionadas.

25

Figura 27 Oscilograma Sensor TPS (Carrillo, 2014)

2.2.4. ACTUADORES

Un actuador a manera general es un dispositivo mecánico que tiene como función mover o hacer funcionar a otro componente mecánico. Entonces los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir o por medio de líquidos, energía eléctrica y gaseosa.

Las encargadas de hacer funcionar adecuadamente a los actuadores son las computadoras, estos dispositivos pueden ser desde un relevador, un solenoide, hasta un motor, y por medio de ellos activar un elemento final que en su mayoría son válvulas, con el objetivo de controlar el funcionamiento, optimización y hasta rendimiento del motor y del vehículo.

2.2.4.1. Tipos de Actuadores

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Figura 28.Tipos de Actuadores (Mecánica Automotriz Fácil, 2010)

“Actuadores Hidráulicos.- Su funcionamiento se basa en fluidos a presión; es decir son actuadores que se basan para su funcionamiento, en la presión ejercida por un líquido, generalmente un tipo de aceite, son sistemas que trabajan bajo un sello hermético para aprovechar toda la presión ejercida y esta se distribuya a los puntos requeridos con una gran potencia y velocidad.

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Actuadores eléctricos.- Se activan con señales eléctricas (Voltaje), y son el tipo de actuadores que se utilizan en el vehículo. Cuando estos actuadores se utilizan en forma de solenoides, sirven para controlar una señal de vacío, aire de purga, control de flujo de combustible, etc. utilizados como relevadores, sirven para conectar y desconectar dispositivos eléctricos de amperaje elevado”. (Mecánica Automotriz Fácil, 2010).

2.2.4.2. Inyector

Un Inyector dentro de un sistema de Inyección electrónica es una válvula solenoide que se abre y cierra rápidamente, inyectando combustible pulverizado y a presión hacia la cámara de combustión, para poder realizar u obtener el tiempo de trabajo en el motor.

“Las válvulas de inyección o inyectores son accionados electromagnéticamente, a través de impulsos eléctricos emitidos por la computadora (ECU). En términos generales un inyector es alimentado de voltaje desde la llave de encendido en su posición “ON” y es la computadora quien pone la masa para determinar cuándo se abren y cierran estas electroválvulas.

Los inyectores tienen un orificio de entrada de combustible y uno o varios orificios por donde sale el combustible, estas salidas están fabricadas con tolerancias muy pequeñas, tienen un espesor aproximado al abrir de un “1” micra, y solo se mantienen abiertos por pocos milisegundos, aproximadamente de dos a quince milisegundos dependiendo la condición de trabajo del vehículo.

28 contacto con el aire muy caliente, se mezcla, y al efectuarse la chispa que genera la bujía se enciende produciéndose la combustión.” (Carrillo, 2014)

Figura 29. Componentes del Inyector (Flores, 2010)

.

Figura 30. Oscilograma de un Inyector (Booster, 2015)

2.2.4.3. Válvula IAC

Está ubicada en el cuerpo de aceleración del motor, y cumple con la función de realizar cambios continuos y precisos en el flujo del aire, para de esta manera mantener la marcha mínima correcta bajo una variedad de condiciones necesarias.

29 programadas y de esta manera ajusta a la válvula para conseguir la marcha mínima deseada.” (Mecánica Automotriz Fácil, 2010)

“La válvula de control de aire es bidireccional, es decir actúa en dos direcciones ya sea contrayéndose para dejar pasar más cantidad de aire o al contrario expandiéndose para bloquear el paso de aire. Posee dos bobinas internas las mismas que son controladas por la ECU, la aguja de la válvula IAC se mueve para regular la marcha mínima del motor.” (Carrillo, 2014)

Figura 31. Oscilograma Válvula IAC (Carrillo, 2014)

2.3. OSCILOSCOPIO

2.3.1. DEFINICIÓN

30 cantidad de componentes electrónicos es de vital importancia el uso de uno de estos equipos para conocer el estado de los componentes del vehículo. El osciloscopio automotriz tiene varias funciones particulares y muy propias de la automoción, sin embargo aún cumple con la función de cualquier otro osciloscopio, el cual es mostrar gráficas de funcionamiento. En el mundo hay varios tipos de osciloscopios, mismos que se detallan a continuación.

2.3.2. TIPOS DE OSCILOSCOPIOS

En la actualidad existen una gran variedad de osciloscopios, partiendo de los más simples a los más complejos, ya sea por su funcionamiento, características y precisión al momento de mostrar los oscilogramas de funcionamiento; sin embargo en el mundo automotriz se conocen únicamente los detallados a continuación.

2.3.2.1. Osciloscopio Analógico

Es un muy conocido y utilizado por técnicos y profesionales dedicados al mundo de los televisores, radios, computadores, entre otros; en los automóviles no se utilizan estos osciloscopios analógicos debido a que su velocidad de respuesta es muy lenta y no muestra los cabios que se dan en los componentes electrónicos del automóvil.

31 Para entender las características y funcionamiento de este tipo de osciloscopio nos guiaremos en la figura 33.

Figura 33. Diagrama del Osciloscopio Analógico (Casillas, 2015)

“La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical oscilante de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos”. (Casillas, 2015)

2.3.2.2. Osciloscopio digital

32 transferir información a cualquier aplicación previamente diseñada e instalada en una PC, por medio de una comunicación serial USB

Figura 34. Osciloscopio Digitales (Fonseca, 2012)

Figura 35. Diagrama Osciloscopio Digital (Casillas, 2015)

33 vertical del osciloscopio es la encargada de ajustar la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacia el osciloscopio analógico. La variación que se tiene es en el conversor analógico-digital, ya que este es el encargado o cumple con la función de recolectar datos y a su vez muestrear la señal a intervalos de tiempo determinados para finalmente convertir la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales denominados muestras.

En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.” (Casillas, 2015)

Figura 36. Muestras del osciloscopio Digital (Casillas, 2015)

“Los datos o valores digitales obtenidos son almacenados en una memoria a manera de puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal.

34

2.3.3. TÉRMINOLOGÍA DE UN OSCILOSCOPIO

Nos basaremos en la terminología utilizada en un osciloscopio digital, ya que este tipo de osciloscopios son los usados en el mundo automotriz.

En la industria existen una gran variedad de señales digitales, y para poder entenderlas debemos tener en claro varios conceptos o terminologías que también debe conocer el procesador.

2.3.3.1. Onda

Es muy importante determinar que el patrón que se repite en un osciloscopio o lo que muestra el mismo es una onda, ya sea senoidal, cuadrada, triangular o pulsos y flancos.

“La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo”. (Casillas, 2015)

 Onda Senoidal

Este tipo de ondas dentro del mundo de la electrónica son de las más conocidas ya que poseen características matemáticas muy interesantes, mismas que permiten ser aplicadas en el ámbito automotriz, debido a que existe una gran cantidad de sensores analógicos como son el CKP, sensor de ABS y varios más, ellos tienen la peculiaridad de tener picos positivos y picos negativos, mostrando así una onda senoidal tradicional. (Casillas, 2015)

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Figura 37 Onda Senoidal (Martínez, 2015)  Ondas Cuadradas

Estas ondas también son conocidas como ondas digitales, que tienen como característica primordial que no tienen voltajes negativos, únicamente mantienen niveles ya sean bajos o altos pero siempre desde la línea del cero para arriba.

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Figura 38. Onda Cuadrada (Martínez, 2015)

 Ondas Triangulares.

“Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas.

37 La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente”. (Casillas, 2015)

2.3.3.2. Frecuencia, Ciclo y Periodo.

Dentro del estudio de las ondas, debemos conocer varias definiciones o conceptos para interpretar correctamente las ondas, específicamente son medidas de ondas y una de estas definiciones son la frecuencia y el periodo.

La frecuencia de un campo, señal u onda electromagnética es el número de ciclos (paso de una polaridad a otra y vuelta a la primera) que realiza en cada segundo. Se denomina con la letra “f” y se mide en Hercios (es decir, en ciclos por segundo) que se denota por la letra “H”. El tiempo que tarde una onda en hacer un ciclo se llama período (T) y es, por tanto, el inverso de la frecuencia. (UNICAN, 2015)

38

2.3.3.3. Voltaje (V)

Es primordial conocer la definición de voltaje ya que es en función del mismo en que un osciloscopio muestra gráficamente su comportamiento.

“Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.” El voltaje tiene como unidad de medida el voltio con sus distintas escalas, sean estos en mili voltios (mv) o kilovoltios (kv) (Casillas, 2015)

2.3.3.4. Corriente (I)

“La corriente eléctrica es el desplazamiento de cargas de electrones a lo largo de un conductor por efecto de la fuerza que ejerce sobre ellas un campo eléctrico. La intensidad de corriente es la cantidad de carga que atraviesa la sección de hilo conductor por unidad de tiempo. La intensidad circula por un hilo conductor cuyos terminales deben estar unidos, formando un recinto cerrado.” Su unidad de medida es el amperio. (Kammerer, 2010).

2.3.3.5. Resistencia (R)

39 que pasa a través de un resistor es directamente proporcional el voltaje aplicado entre sus bornes.” (Rodriguez, 2009)

2.3.4. PANTALLA DE UN OSCILOSCOPIO

Una vez que se han diferenciado los distintos osciloscopios que existen, sus componentes y su manera de funcionar, también se vuelve de vital importancia determinar los parámetros básicos que observamos en un display o en una pantalla.

2.3.4.1. Divisiones o Cuadrículas

Toda pantalla de osciloscopio tiene sus divisiones, a manera de una hoja cuadriculada, esta pantalla es asemejarse a un mapa de una ciudad, ya que tiene líneas de latitud y longitud. Estas líneas se las utiliza como puntos de referencia, a la señal que se está mostrando y poder identificar su partida.

Figura 41. Divisiones de un osciloscopio (Booster, 2015)

2.3.4.2. Línea de Voltaje (Y)

40 Para apreciar mayores voltajes, se cambian las escalas por división y se pueden apreciar mayores voltajes en la pantalla del osciloscopio.

2.3.4.3. Línea del Tiempo (X)

Esta línea corresponde al eje X, y en ella podemos controlar o apreciar la onda, ya sea reduciendo la escala o aumentándola, sus rangos dentro del automóvil normalmente están en segundos, milisegundos y microsegundos.

2.4. ELECTRÓNICA DE POTENCIA

“En la electrónica de potencia se combinan, la potencia, la electrónica y el control. El control tiene que ver con las características de estado estable y dinámicas de sistemas de lazo cerrado. La potencia tiene que ver con el equipo estático y rotatorio para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. La electrónica tiene que ver con los dispositivos y circuitos de estado sólido para el procesamiento de señales que cumplan con los objetivos deseados en el control. Electrónica de potencia se puede definir como las aplicaciones de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica.

La electrónica de potencia se basa fundamentalmente en la conmutación de semiconductores de potencia y a su vez microcontroladores que son la base fundamental.” (H.Rashid, 2005)

2.4.1. SEMICONDUCTORES

41 Los semiconductores más comunes de sólo un elemento son el silicio, el germanio y el carbón. Los semiconductores compuestos, tales como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio, también son de uso común. Los semiconductores de un solo elemento están caracterizados por átomos con cuatro electrones de valencia.” (Floyd, 2008)

Figura 42. Diodo (Electrónico, 2010)

2.4.2. TRANSISTORES

“El transistor es el elemento más importante de los dispositivos semiconductores, pues es el “ladrillo” con el que se construye el edificio de la tecnología electrónica moderna.

42

Figura 43. Transistores NPN y PNP (Electrónico, 2010)

2.4.3. DIVISORES DE TENSIÓN

Un divisor de voltaje es un circuito simple que reparte la tensión de una fuente entre una o más impedancias conectadas. Con sólo dos resistencias en serie y un voltaje de entrada, se puede obtener un voltaje de salida equivalente a una fracción del de entrada. Los divisores de voltaje son uno de los circuitos más fundamentales en la electrónica.

La ecuación del divisor de voltaje supone que se conocen tres valores del circuito anterior: el voltaje de entrada (Vin), y ambos valores de resistencia (R1 y R2). Teniendo en cuenta estos valores, podemos usar esta ecuación para encontrar el voltaje de salida (Vout).

2.4.4. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

43 la amplitud de voltaje y polaridad, en osciladores de circuitos de filtro y muchos tipos de circuitos de instrumentación. (Boylesta & Nashelsky, 2008)

Figura 44 Amplificador Operacional

(Boylesta & Nashelsky, 2008)

Fórmula del amplificador operacional

(

)

[3]

2.5. ARDUINO

Es importante recabar toda la información acerca del microcontrolador arduino ya que será la manera que usaremos para obtener las muestras de los distintos sensores y actuadores para poder visualizarlos en la PC.

“Arduino es una plataforma de prototipos electrónicos de código abierto o denominada open source, basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos.

44 Arduino Development Environment basado en Processing. Los proyectos de Arduino pueden ser autónomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.).” (Arduino, 2015)

“Las placas se pueden ensamblar a mano o encargarlas pre ensambladas; el software se puede descargar gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware, archivos CAD están disponibles bajo licencia open source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus necesidades.” (Rafael Enriquez Herrador, 2010)

2.5.1. ELECCIÓN DE ARDUINO

Alrededor del mundo existen una gran variedad de microcontroladores programables, con características similares al microcontrolador arduino, entre sus similitudes se encuentran que también son relativamente fáciles de utilizar pero existen varias razones porque se debe elegir arduino para nuestros proyectos.

 Arduino es libre y extensible  Arduino tiene una gran comunidad

 Su entorno de programación es multiplataforma

 Su entorno y lenguaje de programación son simples y claros  Las placas de arduino son baratas.

 Las placas de arduino son reutilizables y versátiles.

2.5.2. CARACTERÍSTICA TÉCNICAS DE ARDUINO

45 microcontrolador desde cualquier PC de manera cómoda y también hacer pruebas de comunicación con el propio chip. Un arduino dispone de 14 pines que pueden configurarse como entrada o salida y a los que puede conectarse cualquier dispositivo que sea capaz de transmitir o recibir señales digitales de 0 y 5 V. También dispone de entradas y salidas analógicas. Mediante las entradas analógicas podemos obtener datos de sensores en forma de variaciones continuas de un voltaje.” (Pacheco, 2015)

Las salidas analógicas suelen utilizarse para enviar señales de control en forma de señales PWM. Arduino UNO es la última versión de la placa, existen dos variantes, la Arduino UNO convencional y la Arduino UNO SMD. La única diferencia entre ambas es el tipo de microcontrolador que montan.

 La primera es un microcontrolador Atmega en formato DIP.

 Y la segunda dispone de un microcontrolador en formato SMD. (Rafael Enriquez Herrador, 2010)

46

2.5.2.1. Entradas y salidas

Básicamente para determinar las entradas y salidas, en esta ocasión se basará en la plataforma o tarjeta arduino uno.

“En arduino uno cada pin de los 14 digitales que tiene la tarjeta, se puede usar como entrada o como salida. Funcionan a 5V, cada pin puede suministrar hasta 40 mA. La intensidad máxima de entrada también es de 40 mA. Cada uno de los pines digitales dispone de una resistencia de pull-up interna de entre 20KΩ y 50 KΩ que está desconectada, salvo que nosotros indiquemos lo contrario. Arduino también dispone de 6 pines de entrada analógicos que trasladan las señales a un conversor analógico/digital de 10 bits”. (Jorge Pomes Baeza, 2010)

2.5.2.2. Pines especiales de entrada y salida

 “RX y TX: Se usan para transmisiones de señales TTL.

 Interrupciones externas: Los pines 2 y 3 están configurados para generar una interrupción en el atmega. Las interrupciones pueden dispararse cuando se encuentra un valor bajo en estas entradas y con flancos de subida o bajada de la entrada.

 PWM: Arduino dispone de 6 salidas destinadas a la generación de señales PWM de hasta 8 bits.

 SPI: Los pines 10, 11, 12 y 13 pueden utilizarse para llevar a cabo comunicaciones SPI, que permiten trasladar información full dúplex en un entorno Maestro/Esclavo.

47 interconectados. Actualmente se puede encontrar una gran diversidad de dispositivos que utilizan esta interfaz, desde pantallas LCD, memorias EEPROM, sensores”. (Pacheco, 2015)

Tabla 1. Características de Funcionamiento de Arduino Uno (Melgoza, 2015)

2.5.3. PLACAS DE ARDUINO OFICIALES EXISTENTES.

A raíz de la aparición del primer entorno de arduino, tanto en software como en hardware, con el pasar de los años se han ido creando y mejorando más versiones, para poder brindar al usuario más versatilidad y confiabilidad al momento de utilizar Arduino, motivo por el cual existe una gran variedad de tarjetas electrónicas bajo la licencia de Arduino, cada una de ellas teniendo sus propias características para ser tomadas en cuenta al momento de iniciar un proyecto; dichas tarjetas se detallan a continuación.

48  Los adaptadores USB-Serie

 PoE (“Power Over Ethernet”)  Arduino Fio

 Arduino Pro  Arduino Lilypad  Arduino Nano  Arduino Mini  Arduino Leonardo  Arduino Micro  Arduino Due

Las configuraciones básicamente tienen los mismos principios de funcionamiento, pero ellos son elegidos dependiendo el proyecto, es decir dependiendo la necesidad y la magnitud del proyecto, tomando en cuenta esas variables se elige la mejor opción.

Figura 46. Tipos de Arduino. (Óscar Torrente Artero, 2013)

2.5.4. PROGRAMACIÓN DE ARDUINO

49 del programa y loop() es la ejecución. En la función Setup() se incluye la declaración de variables y se trata de la primera función que se ejecuta en el programa. Esta función se ejecuta una única vez y es empleada para configurar el pin Mode (p. ej. si un determinado pin digital es de entrada o salida) e inicializar la comunicación serie. La función loop () incluye el código a ser ejecutado continuamente (leyendo las entradas de la placa, salidas, etc.)

Figura 47. Ejemplo de estructura de programación (Jorge Pomes Baeza, 2010)

Como se observa en este bloque de código cada instrucción acaba con; y los comentarios se indican con //. Al igual que en C se pueden introducir bloques de comentarios con //.

2.5.4.1. Funciones

Una función es un bloque de código identificado por un nombre y que es ejecutado cuando la función es llamada. La declaración de una función incluye en primer lugar el tipo de datos que devuelve la función (ej. int si lo que devuelve es un valor entero). Después del tipo de datos se especifica el nombre de la función y los parámetros de la misma.

2.5.4.2. Variables

50 que almacenará (int, float, long) int inputVariable = 0; una variable puede ser declarada en el inicio del programa antes de setup(), localmente a una determinada función e incluso dentro de un bloque como pueda ser un bucle. El sitio en el que la variable es declarada determina el ámbito de la misma.

Una variable global es aquella que puede ser empleada en cualquier función del programa. Estas variables deben ser declaradas al inicio del programa antes de la función setup(). “ (Jorge Pomes Baeza, 2010)

Ejemplo

En este ejemplo el LED conectado al pin 13 parpadea cada segundo.

51

3. METODOLOGÍA

Para el diseño y construcción de un osciloscopio automotriz, se fueron analizando propuestas tanto en software como en hardware disponibles en el medio para el correcto funcionamiento del dispositivo; al analizar cada una de ellas se optó por diseñar y construir todo el hardware basándose en dispositivos electrónicos versátiles, de bajo costo, fácil acceso y lo más importante que puedan ser programados acorde a los requerimientos planteados.

3.1. DISEÑO FUNCIONAL

Para el diseño del osciloscopio automotriz, se tomó en cuenta varios factores, siendo el primero el campo de aplicación que tendría el equipo para posteriormente analizar los parámetros de funcionamiento de los componentes a medir, es decir conocer su voltaje, frecuencia y velocidad de transmisión; tomando en cuenta estas características electrónicas que poseen los sensores y actuadores se optó por diseñar un osciloscopio con los siguientes componentes:

 Plataforma de Arduino.  Inversor

 Acondicionamientos Electrónicos.  Transmisión entre hardware y software.

3.2. ANÁLISIS DE DISEÑO

52 tomando en cuenta estas características en relación a precios, se optó por diseñar un osciloscopio con materiales de bajo costo.

Tabla 2 Osciloscopios Automotrices

N° EQUIPO IMAGEN PRECIO

1 OTC 3840FUSA 2

CANALES $ 1,848.00

2 MATCO $1150

3 MSCOPE $ 1000

4 D-SCOPE-2 $ 900

3.3. FINALIDAD DEL DISEÑO

53

3.4. DISEÑO DEL OSCILOSCOPIO

Al momento de iniciar el diseño es de vital importancia tener en claro el orden lógico que seguirá tanto el hardware como software para cumplir con la finalidad planteada, también hay que conocer a fondo todos los elementos electrónicos involucrados dentro del osciloscopio, mismos que son de vital importancia para el correcto funcionamiento del equipo.

Para el diseño de este trabajo es necesario utilizar una herramienta de gran importancia creado para el diseño electrónico mismo que permite simular todo tipo de circuito, permitiendo optimizar recursos económicos y esencialmente optimizar el tiempo; todo el diseño del osciloscopio se basa en el programa PROTEUS, tanto para los esquemas por medio de ISIS y para la creación de circuitos impresos a través de ARES.

La elección de los elementos que llevará el osciloscopio, se basó primordialmente en las características eléctricas que presentan los sensores y actuadores del vehículo, siendo una de ellas el voltaje, ya sea voltaje de alimentación, voltaje de referencia o de masa, lo importante fue determinar el voltaje máximo que presentan los componentes electrónicos, mismos que se detalla en la tabla 3.

Tabla 3 Voltajes máximos de elementos electrónicos

N° Elemento Característica Voltaje máximo

1 CMP Sensor Digital 14 V

2 CKP Sensor Análogo 12V

3 O2 Sensor Análogo 5V

4 Inyector Actuador 70V

54 visualización, llegando al diseño y adaptación de los siguientes componentes.

3.4.1. PLATAFORMA Y ESCUDO DE ARDUINO

Se eligió utilizar la plataforma de arduino porque es un hardware y software de código abierto, en el cual se pueden desarrollar una gran cantidad de proyectos y esencialmente porque en la red existe una infinidad de comunidades de arduino, quienes comparten su conocimiento y sapiencia en lo referente al desarrollo de proyectos utilizando esta plataforma.

Al introducirse en arduino es encontrarse con una gran cantidad de placas o entornos de desarrollo y cada una de ellas cumplen con funciones y características específicas, sin embargo lo que más se enfocó para su elección fue en su ADC debido a que esta parte convierte la señal análoga, en una señal digital, si nos enfocamos en señales análogas se conoce que ellas emiten varios números ya sean de voltajes o amperajes, lo cual es prácticamente imposible de leer por un microcontrolador, por ello es necesario que estos valores sean convertidos únicamente a 1s y 0s.

Tabla 4 Características de Tarjetas de Arduino

Características Arduino Uno Arduino Mega Arduino Due

Voltaje 5V 5V 3.3 V

Microcontrolador Atmega 328P Atmega 1280 AT91SAM3X8E

ADC 5 (8bits) 16( 8 bits) 12 ( 10 bits)

Valor $ 10 $25 $45

55 menor valor, y también permite realizar todas las conexiones necesarias; las características técnicas del arduino uno se la aprecia en el Anexo 5.

Al haber elegido arduino uno como la tarjeta de programación, se eligió automáticamente el microcontrolador Atmega 328P, ya que este es el micro fundamental del arduino uno; es en su memoria donde se programará lo requerido, y a su vez son en sus pines donde se interconectaran los distintos componentes del osciloscopio.

Una vez escogido el microcontrolador Atmega 328P con su respectiva plataforma de arduino uno, para el osciloscopio fue necesario diseñar un escudo que permita montar el arduino uno y los demás componentes de alimentación y transmisión de datos.

El escudo fue diseñada en Proteus mismo que se realizó con la finalidad de montar la tarjeta de arduino uno, el regulador y también la forma de comunicación de la parte exterior al software, ya sea a través de su bluetooth o a través de su comunicación serial USB; obviamente manteniendo todas sus líneas de conexión para su perfecto funcionamiento e interconexión con los acondicionamientos electrónicos.

d

Figura 49 Escudo de Arduino Regulador de Voltaje

56 Este escudo lleva colocado como muestra la figura 49, un regulador de voltaje, el mismo que mantiene únicamente a 5V estables, debido que el voltaje de la batería del automóvil siempre está por encima de los 14V cuando se está cargado, entonces el regulador permite únicamente el paso del voltaje necesario para que funcione el arduino uno y esté no llegue a quemarse por alguna sobre carga.

Desde los pines del arduino ya se puede alimentar tanto a la parte bluetooth como la parte serial para la transmisión de datos. En el caso del bluetooth la tarjeta de arduino nos proporciona la tierra, el voltaje de 5V y también nos permite las conexiones tanto a RX como TX, para la correcta transmisión de datos.

Para la transmisión de datos seriales utilizamos el puerto propio de la tarjeta de arduino para comunicarnos con la PC. Este escudo es el fundamental para transmitir los datos proporcionados por las distintas tarjetas hacia el entorno del software y así visualizar los oscilogramas de los sensores y actuadores.

3.4.2. INVERSOR

Una vez diseñado el escudo del arduino uno, fue necesario diseñar el inversor que en definitiva es el componente encargado de alimentar a los distintos acondicionamientos electrónicos del osciloscopio.

57 12V DC) suficientes para crear en el arrollamiento secundario (+120V y -120V, AC) que posteriormente irán al segundo transformador de iguales características para reducir a (+12V y -12V AC).

Después de la etapa de los transformadores, pasa a una etapa de rectificación, misma que es conformada por un puente de diodos, los cuales van a transformar la señal alterna, en una señal pulsante de (+12V y -12V DC), este voltaje se estabiliza con los filtros electrolíticos o capacitores, que ya será el voltaje necesario para alimentar los acondicionamientos del osciloscopio.

58 Observando el esquema del inversor, representado en la Figura 50, se pueden apreciar claramente los componentes electrónicos usados para comandar y controlar los transformadores y así obtener el voltaje DC adecuado; para el control del arrollamiento primario y secundario del transformador fue necesario colocar las respectivas tierras, con ayuda de la bornera de salida al terminal 1, al terminal 2 y el común del transformador, este último se va a 12V y los otros dos terminales se van a los transistores de potencia 2N3055 mismos que fueron elegidos porque son elementos que controlan u operan bajo condiciones eléctricas bastante elevadas estos pueden trabajar con un amperaje de 15A y un voltaje de 100V en su colector; los transistores mencionados se encargan de poner o colocar las tierras para generar la onda alterna, estos transistores de potencia son controlados por una etapa de transistores 2N3906 , los cuales mejoran la capacidad de la base del 2N3055 para poder colocar o activar a una buena capacidad de corriente. Las características Técnicas del transistor 2N3055 se las aprecia en el Anexo 2.

La forma y secuencia de colocar las tierras de manera alternada se lo realiza por medio del PIC 12F675, ya que este PIC fue diseñado con el propósito de controlar ciclos de trabajo y por esta razón fue utilizado en el osciloscopio; sus características se encuentran en el Anexo 3.

El PIC 12F675 está programado para que sus salidas A0 y A4 funcionen alternadamente es decir, mientras el uno está prendido, el otro está apagado, o al hablar en programación se encuentran en estada 1 lógico y 0 lógico encerrados en un bucle infinito para poder tener la alternación requerida y así conseguir que los transformadores trabajen en condiciones normales a una red eléctrica doméstica.