universidad tecnolÓgica...
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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
Quito, Enero 2016
© Universidad Tecnológica Equinoccial, 2016
Reservados todos los derechos de reproducción
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.
_________________________
Álvaro Alomoto
C.I. 1724344344
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
C.I. 1718133448
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a toda mi familia, quienes directamente han estado
presentes a lo largo de toda la carrera, siempre brindándome sus sabios
consejos y apoyo incondicional, lo cual me han impulsado a seguir adelante
para conseguir todas mis metas planteadas.
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.
Al Ing. Alexander Peralvo por su dedicación y apoyo incondicional para salir
adelante con este trabajo.
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
2.2.4.1. Tipos de 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
2.5.4.2. Variables ............................................................................. 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
5.2. RECOMENDACIONES .................................................................. 84
iv
NOMENCLATURA O GLOSARIO .............................................................. 86
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 89
ANEXOS ...................................................................................................... 92
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
Tabla 4. Características de Tarjetas de Arduino .......................................... 54
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
Figura 30. Oscilograma de un 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
Figura 62. Baquelita preparada para la soldadura ...................................... 69
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
Figura 79. Oscilograma de un Inyector con el osciloscopio Automotriz ...... 81
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
ANEXO 7 ................................................................................................... 117
Materiales de los Acondicionamientos
x
RESUMEN
En este proyecto se diseñó y construyó un osciloscopio automotriz de bajo
costo, con la versatilidad de obtener imágenes u oscilogramas de sensores y
actuadores, sean estos analógicos o digitales, los mismos que se
encuentran en los distintos automóviles ya sean estos sedan, hatchback,
camionetas u otros tipo de vehículos. El presente trabajo cumplió con los
requerimientos establecidos en el diseño en cuanto a confiabilidad y
seguridad, para brindarle al usuario la facilidad de manipular y entender el
hardware y el software, para una correcta obtención e interpretación de los
oscilogramas. El osciloscopio desarrollado basó su diseño fundamental en la
electrónica de potencia, porque usó tanto transistores como operacionales
lógicos, que en conjunto forman la parte del hardware del osciloscopio, es
decir la parte física o exterior del mismo, con el hardware se pudo obtener
señales digitales cuyos voltajes de entrada fueron de 0V-5V, de 0V-15V,
0V-100V en sus tarjetas o módulos digitales, y en la tarjeta análoga se pudo
obtener señales con voltajes máximos 12V pico. Para la transmisión de
datos desde las tarjetas digitales y análogas, su diseño y construcción se
basó en el microcontrolador Atmega 328P, el mismo que es capaz de
transmitir una gran cantidad de información a alta velocidad a través de sus
pines analógicos A0 y A1, hacia una aplicación o programa previamente
cargado en una computadora, para poder apreciar los oscilogramas de
sensores o actuadores. El microcontrolador fue programado, para que su
velocidad de transmisión sea alta y eficiente, tanto en su comunicación serial
como en su comunicación por bluetooth, y cualquiera que sea el medio de
transmisión a utilizar se pueda observar las variaciones en voltaje y en el
tiempo que presenta un sensor o un actuador al momento de funcionar
dentro del automóvil.
xi
ABSTRACT
This project was designed and built an automotive oscilloscope inexpensive,
with the versatility to obtain images or waveforms of sensors and actuators,
be they analogue or digital; the same found in different cars whether they are
sedans, hatchbacks, vans or other types of vehicles. This work accomplishes
with the requirements established in the design for reliability and security, to
give the user the facility to manipulate and understand the hardware and
software, for proper obtaining and interpreting the oscillograms. The
oscilloscope developed based its fundamental design in power electronics,
because he used both transistors as logical operational, which together form
part of the hardware of the oscilloscope, physical or outside of it, with the
hardware is able to obtain digital signals whose input voltages were 0V-5V,
0V-15V, 0V-100V in digital cards or modules, and analog signal card could
be obtained with maximum voltage 12V peak. For data transmission from the
digital and analog cards, their design and construction was based on the
microcontroller Atmega 328P, the same is capable of transmitting a large
amount of information at high speed through its analog pins A0 and A1, to
Your application preloaded on a computer, to appreciate the waveforms of
sensors or actuators. The microcontroller was programmed so that its
transmission rate is high and efficient, both in serial communication and
communication via Bluetooth, whatever can be the transmission medium
used allow to observe the variations in voltage and time that a sensor or an
actuator when operated inside the car.
INTRODUCCIÓN
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.
La industria automotriz día a día presenta avances tecnológicos, en cuanto a
funcionalidad y versatilidad del vehículo se refieren, pero muchas veces la
adquisición de equipos adecuados para el diagnóstico de dichos
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.
El trabajo presentado cuenta con una gran cantidad de componentes
electrónicos, los cuales están ubicados dentro de varias tarjetas de una
manera lógica y sistemática, para preservar el equipo y principalmente para
recibir la información de los sensores o actuadores y enviarlas al
microcontrolador Atmega 328P el cuál fue programado con el ID o software
propio de arduino que basa su programación en código C++ mismo que al
ser un entorno de código abierto se lo pudo encontrar en la red y adaptarla a
las especificaciones que requiere el hardware del osciloscopio.
3
MARCO TEÓRICO
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
Motor
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)
Figura 2. Magnitudes físicas de los sensores
(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
El principio de funcionamiento de este tipo de sensores es por efecto
electromagnético, es decir actúa bajo la relación que existe entre la
electricidad y el magnetismo; cuando existe corriente en una bobina esta
produce un campo magnético y si por el contrario existe un campo
magnético este puede crear corriente eléctrica.
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
Este tipo de sensores trabajan bajo el principio denominado de efecto hall, el
cual menciona que si en un semiconductor como el silicio, tiene una
corriente y a este se le aplica un campo magnético N-S, perpendicular al
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
Al hablar de sensores por conductividad, lo primero a establecer o definir es
que la conductividad es la facilidad con la que circula la corriente por un
material o substancia, cuando está sometida a distintas condiciones físicas.
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.
Tomando en cuenta estas características es que actualmente se puede
encontrar varios sensores termoeléctricos o también denominados
termoresistencias, los cuales varían su resistencia, dependiendo a la
temperatura a la que está expuesto.
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.
Normalmente los sensores de este tipo tienen cristales naturales de silicio o
cuarzo, indistinto del compuesto todos tienen o cumplen la misma finalidad y
actúan bajo el mismo principio
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.
Figura 8. Características de los sensores automotrices.
(Mariño & Villagómez, 2009)
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.).
Los que proporcionan una señal digital (ejemplo: señales de
conmutación como la conexión/desconexión de un elemento o
señales de sensores digitales como impulsos de revoluciones
de un sensor Hall).
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)
MAP es la abreviaturas de (Manifold Absolute Presion)) que significa sensor
de presión absoluta, este sensor está unido al cuerpo de aceleración por
medio de una manguera flexible, lo cual le permite monitorear el vacío que
se produce o se genera en el múltiple de admisión.
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)
Figura 10. Sensor MAP
(Mejía Paúl: Poma José, 2013)
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.
Este tipo de sensores al igual que otros va tener varios componentes, sin
embargo de los más relevantes en su constitución interna serán: un
termistor, un cable de platino de alta temperatura y un circuito de control
electrónico.
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)
Figura 12. Sensor MAF
(Flores, 2010)
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.
Su funcionamiento radica cuando la rueda fónica pasa por el sensor, esta
induce una tensión alterna, la misma que varía su frecuencia y voltaje acorde
a las revoluciones del motor. Hay que acotar que la rueda fónica
normalmente no cuenta con 2 dientes que sirven de referencia para que la
computadora sepa cuando el cilindro N° 1 Y N° 4 están llegando al PMS y
así empezar con la ignición.
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.
“El sensor CMP es necesario en motores con inyección secuencial
multipunto para identificar el cilindro número 1, su información permite que el
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)
Este sensor monitorea la temperatura del anticongelante del motor, para que
de esta manera la PCM o ECU conozca el valor promedio de la temperatura
en general del motor. Este sensor es un termistor, que normalmente en la
industria automotriz es del tipo NTC, es decir de coeficiente negativo.
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.
Figura 19 Circuito Eléctrico del sensor ECT
(Heredia & Rodriguez, 2011)
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.
Hay que mencionar que el sensor IAT, en motores que poseen sensor MAF,
es parte integral del mismo, y en conjunto mandan datos a la computadora,
para que la misma detecte o interprete las condiciones de la densidad del
aire por medio de la temperatura, y con esta información, pueda controlar
tanto el avance al encendido, como el caudal de inyección de combustible.
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
quedando, después de la combustión en el motor, para de esta manera
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.
Hay que mencionar que el sensor comienza a trabajar a temperaturas que
van de 300°C a 850°C, en estos valores el circonio reacciona y en ese
instante permite el paso de los iones de oxígeno y permite hacer la
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.
Figura 25 Oscilograma Sensor de Oxígeno
(Cajas & Russo, 2004)
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.
Figura 26. Diagrama Eléctrico Sensor TPS
(Flores, 2010)
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
En la (Figura 28) se puede observar las distintas formas de energía que
propician la fuerza necesaria para el funcionamiento del actuador y a su vez
son los tipos de actuadores existentes.
26
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.
Actuadores neumáticos.-Se los denomina neumáticos ya que sus
mecanismos convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico.
En esencia es similar a un actuador hidráulico, únicamente varía el fluido con
el que trabajan, pero en los actuadores neumáticos su rango de compresión
es mayor.
27
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.
De acuerdo a la secuencia de encendido de un motor, el inyector inyecta
cierta cantidad de combustible a alta presión y finamente pulverizado en el
cilindro que se encuentra en compresión del motor, el cual, al ponerse en
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.
“Mientras el acelerador está cerrado, la ECU compara constantemente las
RPM de marcha mínima actuales, con las RPM de marcha mínima
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
Un osciloscopio es un equipo diseñado para la adquisición de gráficas de
funcionamiento en tiempo real de componentes eléctricos y electrónicos; en
términos más profundos un osciloscopio es un equipo que muestra o dibuja
una imagen del voltaje que circula en un circuito, el osciloscopio es usado
en toda la rama de la electrónica, y obviamente en el automóvil al tener gran
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.
Figura 32. Osciloscopio Análogo
(Fonseca, 2012)
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
Hoy en día los osciloscopios analógicos están prácticamente en desuso y
poco a poco van siendo sustituidos por los osciloscopios digitales, debido a
que un osciloscopio digital presenta grandes ventajas de transferencia de
datos, el mismo ya no se rige a una sola pantalla incluida, este puede
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)
“En un osciloscopio digital cuando la punta lógica o también denominada
sonda se le conecta a un dispositivo electrónico, la denominada sección
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.
Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos
adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un
pre disparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo.”
(Casillas, 2015)
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)
Una onda senoidal nos expresa tanto picos positivos como picos negativos,
y como particularidad este tipo de ondas incrementan su voltaje. Mientras
incrementa su frecuencia.
35
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.
“Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a
otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son
utilizadas usualmente para probar amplificadores, esto es debido a que este
tipo de señales contienen en sí mismas todas las frecuencias. La televisión,
la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales,
fundamentalmente como relojes y temporizadores.” (Casillas, 2015)
36
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.
Figura 39. Onda Triangular
(Martínez, 2015)
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)
Figura 40 Frecuencia, Ciclo y Período
(Casillas, 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)
“Podemos definir resistencia R como la oposición de un material
determinado al flujo de cargas eléctricas a través de él. La unidad de medida
de la resistencia es el Ohm (Ω). Los elementos que ofrecen resistencia en un
circuito eléctrico se los denomina resistores o resistencias. Estos se fabrican
con materiales conductores de electricidad, pero que poseen una resistencia
mayor al resto de las resistencias intervinientes en el circuito. La corriente
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)
En la pantalla la línea de Voltaje corresponde al eje Y; hay que entender y
comprender que a medida que la línea sube se puede observar más voltaje,
y a medida que desciende es aprecia menos voltaje.
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
“Un semiconductor es un material a medio camino entre los conductores y
los aislantes, en lo que a su capacidad de conducir corriente eléctrica
respecta. Un semiconductor en estado puro (intrínseco) no es ni buen
conductor ni buen aislante.
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.
Los transistores amplifican corriente, por ejemplo pueden ser usados para
amplificar la pequeña corriente de salida de un circuito integrado lógico de tal
forma que pueda manejar una bombilla, un relé u otro dispositivo de mucha
corriente. Un transistor puede ser usado como un interruptor ya sea a la
máxima corriente, o encendido ON, o con ninguna corriente, o apagado OFF
y como amplificador siempre conduciendo corriente. La cantidad amplificada
de corriente es llamada ganancia de corriente, β.” (Electrónico, 2010)
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
Un operacional es un amplificador diferencial de muy alta ganancia que
posee alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Por lo
general el amplificador operacional se utiliza para proporcionar cambios en
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.
Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde
una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control
de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se
programa usando el Arduino Programming Language basado en Wiring y el
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
“Arduino es una placa con un microcontrolador de la marca Atmel y con toda
la circuitería de soporte, que incluye, reguladores de tensión, un puerto USB
(En los últimos modelos, aunque el original utilizaba un puerto serie)
conectado a un módulo adaptador USB-Serie que permite programar el
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)
Figura 45. Tipos de placas Arduino
(Melgoza, 2015)
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.
I2C: Permite establecer comunicaciones a través de un bus I2C. El
bus I2C es un producto de Phillips para interconexión de sistemas
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.
Arduino Mega 2560
Arduino Mega ADK
Arduino Ethernet
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
La estructura básica de programación de Arduino es bastante simple y divide
la ejecución en dos partes: setup y loop. Setup() constituye la preparación
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
“Una variable debe ser declarada y opcionalmente asignada a un
determinado valor. En la declaración de la variable se indica el tipo de datos
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.
Figura 48.Ejemplo de Código
(Jorge Pomes Baeza, 2010)
METODOLOGÍA
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
Luego de analizar varios osciloscopios automotrices que se encuentran en el
mercado, como se puede apreciar en la tabla 2, la mayoría de los
osciloscopios mostrados tienen costos muy elevados que son de difícil
acceso para los técnicos y más aún para los estudiantes de la carrera,
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
Al haber analizado los distintos osciloscopios existentes en el mercado, se
puede apreciar que todos ellos tienen un precio o costo elevado, motivo
principal para que técnicos y estudiantes no puedan tener su propio
osciloscopio para un diagnóstico automotriz moderno; por tal motivo la
finalidad del proyecto es construir un osciloscopio versátil pero de bajo costo
que se encuentre al alcance de cualquier persona que desee realizar un
diagnóstico en la parte electrónica del vehículo.
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
Una vez determinado el voltaje máximo, se procedió a buscar las mejores
alternativas, en lo referente al hardware del osciloscopio, ya que el mismo es
quien recibe la información de los sensores y la envía hacia un entorno de
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
Observando la tabla 4 se aprecia que tanto el arduino mega como el arduino
due tienen mejores características, sin embargo nuestro diseño se basó en
encontrar materiales óptimos y de bajo costo, por esa razón se eligió el
arduino uno ya que cumple con las características técnicas requeridas y de
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
Arduino Uno
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.
El inversor fue diseñado con una electrónica comandada principalmente de
transistores. El inversor tiene como función, recibir el voltaje del automóvil
(12V DC) y por medio del transistor coloca las tierras hacia el común del
transformador para que este reciba los mismos (12V DC), mientras que la
parte negativa se coloca al transformador en forma alternada, es decir
mientras el uno está activado, el otro se encuentra desconectado y
viceversa, para de esta manera obtener en el arrollamiento primario (+12V y
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.
Figura 50. Diagrama del inversor
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.
Para que el PIC sea alimentado es necesario construir un divisor de voltaje
conformado por resistencias, un diodo y una etapa de filtración de ruido y
parásitos, mismas que son ubicadas en forma de escalera para que la caída
59
no sea muy brusca, es decir que el voltaje de 12V se baja a 9V y finalmente
a 5V para que este sea el voltaje que alimente al PIC.
Uniendo todos los componentes descritos se puede tener la fuente necesaria
para el correcto funcionamiento de las otras tarjetas que conforman el
osciloscopio.
3.4.3. ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO
Una vez diseñado el inversor, lo procedente y lógico fue diseñar todo el
acondicionamiento electrónico necesario para el correcto funcionamiento del
osciloscopio, uno de ellos fue el acondicionamiento analógico.
El acondicionamiento analógico, como su nombre lo indica, permite a
adquirir señales analógicas, es decir señales que varíen en voltaje para
posteriormente enviarla a un microcontrolador Atmega 328P como una
señal digital, pero sin perder la forma de onda original.
Figura 51. Diagrama Acondicionador Analógico
60
Para conseguir que una señal analógica se convierta en una digital es
necesario usar usar varios operacionales amplificadores, que para nuestro
diseño se optó por el tradicional LM358 porque es un operacional que
permitió amplificar una señal sinusoidal en el rango de los mili voltios pico a
pico, a una señal de 16Vpp fácilmente y este opera con ±12V que es el valor
que entrega el inversor; finalmente fue elegido este operacional por su costo
y accesibilidad a él, sus características se las aprecia en el Anexo 1
En la figura 51 se observa el esquema del acondicionamiento analógico en
el cual se aprecia claramente que existen en uso las dos etapas o los dos
operacionales amplificadores que tiene cada LM358, para poder tranformar
las ondas senoidales con picos negativos, en solo ondas senoidales que
tengan voltaje positivo; para conseguir lo dicho anteriormente se utilizan los
operacionales como sumadores y como restadores para acondicionar la
onda, es decir al ingresar voltaje negativo por el operacional este suma el
voltaje negativo tanto de la fuente como el que ingresa de la señal analógica
y lo convierte en una señal unicamente con voltaje positivo, pero sin perder
su forma senoidal.
En términos más simples el circuito o acondicionamiento tiene una etapa
atenuadora que es la etapa donde se reduce el voltaje , y también se tiene la
etapa que desplaza a la onda en el tiempo. Por ello es necesario calibrar
ambas etapas para obtener las gráficas analógicas desdeadas.
3.4.4. ACONDICIONAMIENTO DIGITAL DE 0V-5V
Este acondicionamiento al momento del diseño fue establecido para
funcionar con valores de entrada obtenidos desde la punta del osciloscopio
de máximo 5V, para lo cual se diseñó utilizando un seguidor de tensión
basado en el operacional amplificador LM 358, que permite el paso directo
de la señal, que en este caso es un voltaje, para luego pasar por un filtro de
ruidos compuesto por resistencias y capacitores, finalmente se conecta a un
61
diodo zener de 5.1 V que funciona como un elemento de seguridad, para
que a la tarjeta no pueda entrar más de 5V y así preservar la vida del
microprocesador Atmega 328P.
Figura 51. Diagrama del acondicionamiento digital de 0V-5V
3.4.5. ACONDICIONAMIENTO DIGITAL DE ALTO VOLTAJE
Este acondicionamiento tiene 2 circuitos electrónicos a la vez, el uno es
para la escala de 100V y el otro para la escala de 15V, ambos funcionan
bajo el mismo principio de funcionamiento, es decir, tenemos divisores de
voltaje, pero los dos utilizan distintas resistencias para poder disminuir el
voltaje de entrada, hasta tener únicamente los 5V que pueden ingresar al
microcontrolador.
62
Figura 52. Acondicionamiento Digital de Alto Voltaje
En el diagrama mostrado en la figura 52 se puede apreciar la manera en que
están conectados cada uno de los circuitos; en la primera parte se observa
un divisor de tensión que disminuye el voltaje de entrada de hasta 15V a un
voltaje de salida de 5V, por medio del divisor de tensión que usan
resistencias de 10KΩ, seguido de un diodo zener de 5.1V como seguridad
del sistema, finalmente pasa por el amplificador operacional LM358 el mismo
que controla la intensidad y el voltaje de entrada, para enviarla al
microcontrolador, obviamente antes de ello pasa por una etapa denominada
de filtración de ruido y parásitos, y así obtener en la salida un voltaje de
máximo 5V, en la cuál gracias al operacional, disminuye su voltaje pero no
se altera su forma de onda original.
Ahora la etapa de alto voltaje fue diseñada con la finalidad de observar
ondas u oscilogramas que respondan a voltajes relativamente altos, como lo
son los inyectores, razón por la cual se determinó tener una entrada máxima
de 100V y esta a su vez ser reducida por un divisor de tensión similar al
63
antes mencionado, simplemente variando sus resistencias , para este
circuito sus resistencias en el divisor son de 100KΩ, los que permiten reducir
hasta 5V que es el voltaje necesario para el funcionamiento del
microcontrolador; las siguientes etapas del circuito de alta tensión de 100V
es igual al del circuito de alta tensión de 15V.
3.4.6. COMUNICACIÓN
En la parte del diseño se estableció el medio de comunicación o
transferencia de datos, desde el hardware hasta el software, llegando a
elegir una comunicación serial por medio de USB, propia de la tarjeta de
arduino uno; también el osciloscopio fue diseñado para comunicarse de
forma inalámbrica (bluetooth), para lo cual fue necesario colocar módulos
bluetooth (HC-06) tanto en la tarjeta de arduino como en la computadora, es
decir trabajan bajo el modo maestro-esclavo.
Se eligió estos bluetooth porque son componentes que trabajan
directamente con la plataforma de arduino a muy altas velocidades, y
principalmente porque su programación no es compleja; hablando en
términos económicos, son módulos relativamente baratos y de fácil
adquisición, sus características técnicas se las observa en el Anexo 4.
En la parte de comunicación se estableció cual sería el código o
programación para el Atmega 328P, siendo este un código adquirido de la
red y adaptado a las necesidades y diseño del osciloscopio automotriz de
bajo costo, únicamente se lo interpretó y cargó a la memoria del
microcontrolador.
64
Figura 53 Código de Arduino
3.4.7. SCOPINO
Es un software o aplicación de código abierto diseñado en Visual Studio, el
mismo que es compatible con la plataforma de arduino y por ende nos
permite visualizar los datos obtenidos por las distintas tarjetas colocadas
dentro del osciloscopio automotriz, hay que acotar que es un software que
se encuentra en la red, con todos su códigos fuentes que pueden ser
modificados al gusto del usuario y es por ello que en este proyecto se optó
por colocar el nombre de “Osciloscopio de Bajo Costo UTE”
Figura 54 Software Scopino
65
3.5. CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL OSCILOSCOPIO
Al terminar con el diseño del osciloscopio automotriz, lo cual comprendió la
esquematización de todas las tarjetas electrónicas con ayuda de Proteus y
su complemento ISIS, dichas esquematizaciones fue realizar acorde a los
requerimientos necesarios, en los mismos que se especificó los distintos
materiales a usar en el osciloscopio, para finalmente realizar su
construcción.
3.5.1. ELABORACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
Antes de iniciar con la construcción de todas las etapas o tarjetas del
osciloscopio, se debe tener los esquemas antes diseñados en ISIS, para
transformarlos en circuitos electrónicos a través de ARES y así poderlos
imprimir para posteriormente dedicarse a la construcción de cada tarjeta.
Figura 55. Circuito Eléctrico del Inversor
El circuito mostrado en la figura 55 ya tiene todos los componentes
ordenados y con las pistas conectadas entre sí ya para poder imprimirla.
Como se observa este diagrama tiene los transistores de potencia 2N3055
66
ya ubicados adecuadamente y obviamente tiene sus respectivas
resistencias, capacitores y su etapa de transistores.
Figura 56. Circuito Eléctrico de alto voltaje
En el circuito mostrado en la figura 56, claramente se pueden aprecian
todos los componentes electrónicos y sus respectivas etapas, como son los
divisores de tensión, elementos de filtración y finalmente se aprecia la
manera de conexión de los amplificadores operacionales LM358.
Figura 57 Circuito Eléctrico del conversor digital de 0V-5V
67
En este circuito se puede determinar el orden lógico y la correcta
interconexión de todos sus componentes, incluido el operacional
amplificador LM358
Figura 58. Circuito Electrónico del Acondicionador Analógico
El circuito para elaboración de placa del acondicionamiento analógico es un
poco complejo de entenderlo por la gran cantidad de elementos
interconectados entre sí, que posee la tarjeta electrónica, pero lo importante
aquí es observar que todas las pistas se conecten adecuadamente, a todos
los elementos, es decir los operacionales LM358 se conecten de una forma
adecuada a sus resistencias, diodos y capacitores.
3.5.2. IMPRESIONES Y CONSTRUCCIÓN DE LAS PLACAS.
Una vez obtenidos los diagramas electrónicos se procede a su impresión, ya
sea en acetatos o papel fotográfico para posteriormente colocarlas con
ayuda de una plancha en la baquelita, misma que será sometida a un
proceso químico para quemar las pistas y ya poder soldar todos los
elementos.
68
Figura 59. Circuitos Impresos
Figura 60. Tratamiento Químico
Figura 61. Baquelita y sus pistas antes de la limpieza
69
Cuando ya se ha sometido a todas las baquelitas al ácido, se tiene una
baquelita como la mostrada en la figura 61; La placa sometida al ácido
únicamente debe ser limpiada con alcohol y así tenerla lista para proceder
con la soldadura de sus elementos.
Figura. 62 Baquelita preparada para la soldadura
El paso final consistió en tener todos los elementos electrónicos establecidos
en el diseño, y ya proceder a soldar de manera adecuada dentro de la
baquelita, para ya tener de manera física las tarjetas electrónicas antes
mencionadas en el diseño.
Figura. 63 Componentes electrónicos a soldarse
70
Figura. 64 Unión por suelda de los componentes
Figura. 65 Tarjetas con sus elementos soldados
3.6. ENSAMBLAJE FINAL
Este ensamblaje consistió en colocar e interconectar con los distintos cables
todas las placas o tarjetas electrónicas dentro de una caja adecuada.
3.6.1. CAJA DEL OSCILOSCOPIO
La caja fue diseñada con ayuda de un software de diseño (Inventor), para
posteriormente mandarla a construir en acrílico; la caja cuenta con las
dimensiones necesarias para alojar todos los acondicionamientos, inversor y
escudo de arduino y siempre manteniendo una separación ideal entre cada
71
componente, por medio de barras de separación que a su vez son barras de
sujeción de los componentes.
Figura 66 Caja del Osciloscopio
3.6.2. FUNCIONALIDAD DE LAS TARJETAS
Es importante mencionar que antes de colocar todas las tarjetas dentro de la
caja del osciloscopio, todas ellas fueron probadas independientemente, para
verificar que cumplan con lo especificado en el diseño probando continuidad
en las pistas, verificando que no hayan sueldas frías y especialmente que no
existan cortos entre ellas, para lo cual se utilizó un multímetro que permita
medir dichas características.
Figura 67. Pruebas de Funcionalidad con el multímetro
72
Figura 68. Pruebas independientes de las tarjetas
Las tarjetas fueron probadas una a una dentro del automóvil para verificar
que estén cumpliendo con el trabajo para el que fueron diseñadas y
construidas; para su comprobación se las alimentaba independientemente a
cada acondicionamiento desde la batería del vehículo para verificar que
funcionen adecuadamente, para posteriormente ya ensamblarla en la caja
del osciloscopio.
3.6.3. UBICACIÓN Y CONEXIÓN FINAL
Una vez finalizadas todas las pruebas respectivas en cuanto a continuidad y
funcionalidad, se procedió a colocar todas las tarjetas dentro de la caja,
obviamente, en ella ya contamos con sus espacios adecuados, sus regletas
de interconexiones, sus switch de activación de señales , el selector de
alimentación y el conector para la punta del osciloscopio.
73
Figura 69. Dispositivos ubicados en la caja
Cada placa va ubicada en el lugar que previamente ya fue diseñado, para no
tener inconvenientes al momento de realizar el respectivo cableado para ir
interconectando todas las tarjetas.
En la figura 69 se pueden observar ya instalados, el inversor, el
acondicionamiento analógico, acondicionamiento digital, acondicionamiento
de alto voltaje y la tarjeta o escudo del arduino uno, siempre manteniendo
sus respectivas distancias.
En el ensamblaje del osciloscopio como parte final se procedió a conectar
todas los acordonamientos electrónicos hacia sus distintos componentes de
control, como lo son los switch de señales y el selector de alimentación, este
proceso es bastante complejo debido a la gran cantidad de cables eléctricos
que posee el equipo, por tal motivo fue indispensable ir conectando de una
manera lógica y ordenada cada componente para no tener confusiones con
los demás accesorios; una vez conectados entre sí todos los dispositivos,
fue necesario realizar pruebas de continuidad para verificar que estén
conectados correctamente y ninguno quede si su respectiva conexión.
74
Figura 70. Conexión de todas las tarjetas con sus accionamientos
Ya conectadas y probados todos los acondicionamientos dentro de la caja
del osciloscopio, se procedió a ordenar los cables para ya proceder al
sellado del equipo y este a su vez se encuentre listo para realizar sus
pruebas de funcionamiento en conjunto, lo cual implica realizarla con los
respectivos sensores y actuadores del vehículo.
3.7. DIAGRAMAS FINALES DEL OSCILOSCOPIO
Figura 71. Diagrama General de Funcionamiento
75
En el diagrama mostrado de la figura 71 se puede aprecia la forma general
de cómo funciona en conjunto el osciloscopio.
Como primer punto se tiene el automóvil, el mismo que servirá de fuente de
alimentación para el osciloscopio, este voltaje proveniente de la batería pasa
hacia el circuito que controla los transformadores, o denominado el circuito
del inversor dicho circuito como ya se ha mencionado, cuenta con los
transistores 2N3055, mismos que activan o ponen las tierras en los
transformadores para poder obtener el voltaje adecuado que este caso es de
+12V y -12V mismos que van al circuito regulador o de transistores, que es
la etapa en sí de donde se tiene el voltaje de alimentación para el resto de
tarjetas.
El voltaje generado por el inversor va hacia un selector de 5 posiciones, que
únicamente alimentará de voltaje negativo a las tarjetas, ya que el voltaje
positivo será directo de la batería, para de esta manera no sobrecargar el
inversor; entonces al escoger una posición del selector estaremos
encendiendo o alimentando una tarjeta o placa electrónica.
En el diagrama también se aprecian los switch, los mismos que sirven para
activar la entrada de la señal proveniente de la punta del osciloscopio, todos
los switch en sus entradas están conectados entre sí pero sus salidas son
independientes, para poder activar o desactivar la señal que ingresa a cada
tarjeta para que esta a su vez pueda enviarla al Arduino Uno. Todas estas
salidas ingresan al A0 del Arduino Uno para que esta a su vez mande la
información al software, es decir en ese pin se representa la onda que se
genera en la tarjeta seleccionada.
76
Figura 72. Conexión Bluetooth
Finalmente el arduino manda esta información ya sea por comunicación
serial inalámbrica bluetooth que es la que se muestra en la figura 72 o
también el osciloscopio de bajo costo puede transmitir datos por
comunicación directa a través del USB.
Para la comunicación Bluetooth se tienen un emisor y un receptor, en este
caso están conectados un bluetooth HC-06 en el arduino y otro de las
mismas características hacia la computadora, para que ella se interconecte
con el software.
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
77
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Las pruebas de funcionamiento se realizaron en un vehículo Hyundai Accent
1.6, el mismo que tiene varios sensores y actuadores; para las pruebas de
funcionamiento del osciloscopio se optó por hacerla en un sensor y en un
actuador.
Figura 73. Pruebas en un Hyundai Accent 1.6
4.1.1. SENSOR CMP
El vehículo cuenta con un sensor CMP del tipo digital, que en este caso tiene
2 cables, el uno de alimentación y el otro de señal, en el último es donde se
conecta la punta del osciloscopio para poder obtener los oscilogramas.
78
Figura 74. CMP a 900 RPM
Figura 75. CMP A 2500 RPM
Como Se pueden observar en las Figuras 73 y 74, los oscilogramas son
bastante representativos y claramente se puede determinar que es un
79
sensor de tipo hall, y a medida que aumenta sus rpm esta aumenta su
frecuencia, más no su voltaje.
En los oscilogramas mostrados vemos la onda del sensor tanto a bajas
revoluciones como a altas revoluciones, y que su forma de onda es la misma
mostrada por osciloscopios automotrices que se encuentran en el mercado.
Figura 76. Oscilograma con un osciloscopio Automotriz
Si comparamos los oscilogramas obtenidos con el osciloscopio de bajo costo
y lo comparamos con osciloscopios automotrices profesionales, vemos que
prácticamente los oscilogramas son los mismos.
4.1.2. INYECTOR
La siguiente prueba que se realizó fue utilizando los inyectores del vehículo
Hyundai Accent, los cuales tienen 2 cables, el uno para la alimentación y el
otro para la señal emitida al momento de funcionar el inyector; una vez
identificado a que corresponde cada cable se procedió a conectar el
osciloscopio automotriz de bajo a la línea o al cable de la señal, tomando en
cuenta que el vehículo se encuentre en posición KOEO, y luego colocarlo en
80
la posición KOER y así obtener el siguiente oscilograma cuando el vehículo
esta prendido.
Figura 77. Oscilograma de un Inyector
En este oscilogarma se aprecia de manera correcta como funciona un
inyector, en el mismo que se aprecia su inicio que normalmente es en el
voltaje de alimentación, para luego caer a tierra donde se abren los
inyectores por un lapso de 2ms aproximadamente, posteriormente se vuelve
a quitar la masa y la bobina se satura hasta llegar un pico de voltaje elevado.
Figura 78 Oscilograma de Un inyector con menos (ms) por división
81
Ambos Oscilogarmas muestran perfectamente el correcto funcionamiento del
inyector, pero se difenrencian en que el uno tiene una escala mayor de 10
ms por, y el otro está con una escala de 1ms por división, e ahí su forma de
ver la onda.
Figura 79. Oscilograma de un Inyector con el osciloscopio Automotriz
En esta comparación se puede observar una pequeña variación y esto es
debido a que la señal obtenida en el osciloscopio de bajo costo posee su
divisor de tensión, el cual baja a gran medida el voltaje, esto ocasiona que
la onda no se reconstruya claramente, pero para términos de identificación
de oscilogramas, el obtenido está dentro de los parámetros para determinar
si el inyector se encuentra funcionando o no y a su vez funciona dentro de
los rango establecidos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
82
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Se conoció mediante la búsqueda de información referente a
sensores y actuadores del vehículo, que estos componentes tienen
una electrónica y principios de funcionamiento complejos, que hacen
que su mantenimiento y diagnóstico sea más especializado.
Con el estudio del funcionamiento, estructura y componentes de un
osciloscopio automotriz, se pudo obtener las pautas, principales y
necesarias para establecer los requerimientos mínimos que un
osciloscopio automotriz debe tener.
A través del diseño, se determinó todos los materiales necesarios e
indispensables para la construcción del hardware del osciloscopio
automotriz, la elección de todos los materiales se basaron en
parámetros de funcionalidad, accesibilidad y principalmente que no
sean muy costosos para mantener el objetivo de construir un
osciloscopio que sea de bajo costo.
Al momento de diseñar, se pudo determinar que el sistema puede
sufrir desperfectos por sobre voltajes, motivo por el cual fue
necesario establecer los lineamientos de seguridad y protección de la
electrónica del sistema, para que este no sufra algún desperfecto por
sobre voltajes, motivo por el cual el sistema cuenta con diodos zener
de máximo 5.1V, para proteger a las distintas placas electrónicas, y
en especial al microcontrolador del Arduino.
El diseño dejó al descubierto el tipo de software o aplicación
compatible con el hardware del osciloscopio, mismo que debió cumplir
83
varios requisitos de funcionamiento para su correcta compatibilidad e
interconexión con todo el sistema.
Al realizar las respectivas pruebas de funcionamiento en el automóvil
con el osciloscopio automotriz de bajo costo, se obtuvo oscilogramas
de buena calidad tanto de sensores como de actuadores, permitiendo
establecer un diagnóstico correcto del sistema.
Con las distintas pruebas realizadas tanto con comunicación serial
USB como por comunicación inalámbrica, se pudo determinar que el
osciloscopio trabaja muy bien con comunicación USB, y al trabajar
con comunicación por bluetooth, esta no es muy eficiente, ya que las
velocidades de transmisión no son muy altas, esto hace que los datos
enviados por el microcontrolador a través del bluetooth tengan varios
inconvenientes al momento de graficar o mostrar los oscilogramas,
esencialmente el inconveniente viene dado con la lenta respuesta al
mostrar la información o los parámetros de funcionamiento de algún
componente electrónico que trabaje a frecuencias altas y no se
observan inmediatamente las variaciones que presentan.
84
5.2. RECOMENDACIONES
Es recomendable que antes de usar el osciloscopio automotriz de
bajo costo, se verifique el tipo de sensor o actuador a medir, para
utilizar o calibrar adecuadamente el sistema y así obtener los
oscilogramas adecuados.
Para el correcto funcionamiento del osciloscopio se debe contar con
una correcta alimentación por parte de la batería del automóvil, para
que este tenga el suficiente voltaje y amperaje necesarios para su
correcto funcionamiento.
Las pruebas deben realizarse tomando en cuenta las limitaciones del
sistema, tanto e hardware como en software para poder hacer la
relación de escalas y no tener inconvenientes al momento de
interpretar los oscilogramas mostrados.
Es recomendable utilizar el osciloscopio automotriz de bajo costo, por
comunicación serial USB, para observar inmediatamente las
variaciones que presenten los sensores o actuadores al momento de
estar funcionando en el automóvil, y no hayan inconvenientes por
malas interpretaciones al momento de mostrar el oscilograma.
El modo Bluetooth debe ser únicamente usado con fines didácticos,
para mostrar el tipo o la forma de onda que tiene algún sensor o
actuador, debido a que el tiempo que toma en actualizarse y mostrar
cualquier variación que presente, no puede ser transmitida
inmediatamente.
Para la correcta interpretación de un oscilograma es necesario que
los ingenieros, el técnico y el estudiante tengan las bases
85
fundamentales de funcionamiento de un componente electrónico para
interpretar de una manera adecuada el funcionamiento del mismo.
Se recomienda añadir dentro de la malla curricular de la carrera de
Ingeniería Automotriz, asignaturas como electrónica de potencia,
programación de microcontroladores para que el estudiante esté en la
capacidad de realizar investigaciones y aplicaciones enfocadas a la
electrónica del vehículo.
86
NOMENCLATURA O GLOSARIO
MAP
(Manifold Absolute Presion) Sensor de presión absoluta
MAF
(Mass Airflow Sensor) Sensor de flujo de masa de aire
CKP
(Crankshaft Position Sensor ) Sensor de posición del cigüeñal
CMP
(Camshaft Position Sensor) Sensor de posición del árbol de levas
ECT
(Engine Coolant Temperature) Sensor de temperatura del refrigerante
del motor
IAT
(Intake Air Temperature) Sensor de temperatura del aire de entrada
O2
(Oxygen Sensor ) Sensor de Oxígeno
TPS
(Throttle Position Sensor) Sensor de posición de la mariposa del
acelerador.
IAC
(Idle Air Control) Válvula de control de aire para ralentí
KOEO
(Key On Engine Off) Es una prueba que se realiza con la llave en
contacto y el motor apagado
KOER
(Key On Engine Run) Es una prueba que se hace con la llave en
contacto y el motor funcionando.
87
ECU (Engine Control Unit) Es la computadora encargada de controlar
todo el sistema electrónico del motor del automóvil
Transducción
Es la transformación de un tipo de señal o energía en otra de
distinta naturaleza
Reluctancia
Es la resistencia que éste posee al paso de un flujo
magnético cuando es influenciado por un campo magnético.
Campo
Electromagnético
Es una combinación de ondas que se propagan a través del espacio
transportando diminutos paquetes de energía
Corriente Alterna
La corriente alterna es aquel tipo de corriente eléctrica que se
caracteriza porque la magnitud y la dirección presentan una variación
de tipo cíclico
Corriente Continua
La corriente directa o corriente continua es aquella cuyas cargas
eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un
circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo
positivo de una fuente de fuerza electromotriz.
ION
Un ion es un átomo o un grupo de átomos que tiene una carga neta
positiva o negativa.
Termoeléctrico
Es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje
eléctrico y viceversa.
Conductividad
La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad de un
material para conducir la corriente eléctrica, su aptitud para dejar
circular libremente las cargas eléctricas
NTC
(Negative Temperature Coefficient) Es un termistor, es decir un
sensor resistivo de temperatura.
88
PTC (Positive Temperature Coefficient) Es un termistor con coeficiente
de temperatura positivo.
Resistencia Pull-Up Las resistencias pull-up son resistencias que se utilizan en circuitos
lógicos digitales. Tienen la misión de que las entradas lógicas del
sistema se mantengan en los niveles correctos en caso de que otros
dispositivos o circuitos se conecten o desconecten del sistema.
PIC 12F675
El PIC12F675 es un microcontrolador, que al igual que todas las
familias de Pic incorpora una serie de módulos en su interior. Estos
módulos son circuitos especializados
LM 358
Es un amplificador operacional es decir es un acoplador de
impedancia y ganancia de frecuencia.
ARES Es la herramienta de la suite Proteus dedicada al diseño de placas
de circuito impreso (PCB)
ISIS Se trata de un completo programa que permite diseñar y simular
circuitos electrónicos de forma práctica y accesible.
Transistor 2N3055 Es un transistor de silicio tipo NPN de propósito general
encapsulado en formato TO-3, su complementario en PNP es el
2N2955.
HC-06 Es un módulo de transmisión inalámbrica vía bluetooth, que es
compatible con el entorno de arduino, y puede trabajar a varias
velocidades de transmisión.
Diodo Zener Son diodos que están diseñados para mantener un voltaje
constante en sus terminales, llamado Voltaje o Tensión
Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está
el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa.
BIBLIOGRAFÍA
89
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ANEXOS
ANEXO 1
93
94
95
ANEXO 2
96
97
98
ANEXO 3
99
100
101
102
103
ANEXO 4
104
105
106
107
108
109
110
111
ANEXO 5
112
113
114
115
116
117
ANEXO 6
118
Programación en Arduino
/ Scopino - Scope application
// By Amit Zohar
// Ver 2.0, October 2014
// Defines for setting A2D register bits
#define a2dBitClr(bit) (_SFR_BYTE(ADCSRA) &= ~_BV(bit))
#define a2dBitSet(bit) (_SFR_BYTE(ADCSRA) |= _BV(bit))
const int maxSamples = 500;
const int maxSampChan = maxSamples/2;
const int maxChannel = 2;
word samples[maxSamples];
int channel=1, timeRes=200, a2d=1, timeStep=1, voltAmp=2, voltCoup=0,
trigVal=0, trigMode=0;
const int pinSquare=2;
void setup()
Serial.begin(115200); // Fast IO
Serial.setTimeout(10); // Quick read
pinMode(pinSquare, OUTPUT); // Square wave 1KHz
tone(pinSquare, 1000);
// Set A2D register clock division factor, enabling faster sampling
void a2dSetup(int factor)
119
if (factor & 1) a2dBitSet(ADPS0);
else a2dBitClr(ADPS0);
if (factor & 2) a2dBitSet(ADPS1);
else a2dBitClr(ADPS1);
if (factor & 4) a2dBitSet(ADPS2);
else a2dBitClr(ADPS2);
///////////////////////// Process serial input
// Protocol: *C<channel>T<time resolution>A<A2D register>S<samples
division>V<voltage amp.>P<voltage coupling>G<trigger value>H<trigger
mode>E
// (C) Channel: 1-2
// (T) Time resolution: at least 20uSec per channel
// (A) A2D sampling speed: 0-7
// (S) Samples division: divide # of samples for speed
// (V) Voltage amp.: 1=amplified (H/W), 2=0-5V as-is, 3=0-50V attenuated by
10 (H/W)
// (P) Voltage coupling: 0=DC, 1=AC (H/W)
// (G) Trigger value: value needed to be crossed for trigger (0-1023)
// (H) Trigger mode: 0=free run, 1=positive slope, 2=negative slope, 3=both
slopes
// Example: *C10T5S333V8P1G1H2E
120
// Default: *C1T200S1V2P0G0H0E
void getCommand()
const int recBuf=64;
if (Serial.available() > 0) // Incoming chars?
delay(10); // Let all chars arrive
char recRare[recBuf];
int chars = Serial.readBytes(recRare,recBuf); // Get buf to String
recRare[chars] = 0;
String rec = recRare;
if (rec.startsWith("*")) // Valid frame start
// Serial.write('*');
int posC = rec.indexOf("C");
int posT = rec.indexOf("T");
int posA = rec.indexOf("A");
int posS = rec.indexOf("S");
int posV = rec.indexOf("V");
int posP = rec.indexOf("P");
int posG = rec.indexOf("G");
int posH = rec.indexOf("H");
121
int posE = rec.indexOf("E");
String prm;
char ca[recBuf];
prm = rec.substring(posC+1,posT); // Channel
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
channel = atoi(ca);
prm = rec.substring(posT+1,posA); // Time resolution
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
timeRes = atoi(ca);
prm = rec.substring(posA+1,posS); // A2D speed (1=faster sampling)
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
a2dSetup(atoi(ca));
prm = rec.substring(posS+1,posV); // Samples division
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
timeStep = atoi(ca);
prm = rec.substring(posV+1,posP); // Voltage amp.
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
voltAmp = atoi(ca);
prm = rec.substring(posP+1,posG); // Voltage coup.
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
voltCoup = atoi(ca);
prm = rec.substring(posG+1,posH); // Trigger value
122
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
trigVal = atoi(ca);
prm = rec.substring(posH+1,posE); // Trigger mode
prm.toCharArray(ca,sizeof(ca));
trigMode = atoi(ca);
///////////////////////// Sample
unsigned long sample()
// Trigger check
int preSamp=-1, curSamp;
const int waitTrig = 1000;
for (int i=0; i<=waitTrig; i++) // Try to catch the trigger
if ( trigMode == 0) break; // Free run
curSamp = analogRead(0);
if (preSamp != -1) // We have previous sample
boolean pos = false, neg = false; // Calculate which slope it is
if (preSamp < trigVal && curSamp >= trigVal) pos = true;
123
if (preSamp >= trigVal && curSamp < trigVal) neg = true;
if ( trigMode == 1 && pos) break; // Positive slope
if ( trigMode == 2 && neg) break; // Negative slope
if ( trigMode == 3 && (pos || neg)) break; // Both
preSamp = curSamp; // Save last sample
if (i == waitTrig) return 0; // No trigger, do some other work
// Sampling
unsigned long samp1, timeFrom1, nextSamp;
int rawSamp;
samp1 = micros(); // Sampling start
int sampNum = maxSamples/timeStep;
for ( unsigned long i=0;i<sampNum;i++) // Sampling loop
samples[i] = analogRead(0); // Sampling channel 1
if (channel == 2) samples[i+maxSampChan] = analogRead(1); // Channel
2
nextSamp = timeRes*(i+1); // Time for next sample
do timeFrom1 = micros()-samp1; // Wait for next sample time
while (timeFrom1 < nextSamp);
124
return timeFrom1;
///////////////////////// Send output
// Protocol: *Channel>Time resolution:Sample1,Sample2...,
void sendSamples(unsigned long sampTime)
String samp;
for (int ch=0; ch<channel; ch++) // Sample all channels
// Serial.print("*1:");
Serial.print("*"); // Channel
Serial.print(ch+1);
Serial.print(":");
Serial.print(sampTime/maxSamples); // Time resolution
Serial.print(">");
for (int i=0;i<maxSamples/timeStep;i++) // Samples
samp = String(samples[i+maxSampChan*ch], HEX); // Send in HEX
format
Serial.print(samp);
Serial.print(',');
125
Serial.println();
void loop()
getCommand(); // We listen to the master program
unsigned long sampTime = sample(); // We sample
if (sampTime > 0) sendSamples(sampTime); // We have samples
ANEXO 7
126
LISTA DE MATERIALES
DESCRIPCIÓN ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO
CANTIDAD MATERIAL REFERENCIA VALORES
2 Resistencias R1,R8 10K
6 Resistencias R2,R5,R9,R10 10K
2 Resistencias R6,R7 20K
2 Capacitores C1,C2 100nF
2 Integrados U1,U2 LM358
1 Diodo D1 1N4733A
2 Borneras J1,J3 Block-2
1 Borneras J2 Block 3
1 Switch S1 Push Switch
LISTA DE MATERIALES
DESCRIPCIÓN ACONDICIONAMIENTO DIGITAL 0V-5V
CANTIDAD MATERIAL REFERENCIA VALORES
2 Resistencias R1,R3 10K
1 Resistencias R2 20K
2 Capacitores C1,C2 100nF
1 Integrados U1,U2 LM358
1 Diodo D1 1N4733A
2 Borneras J1,J3 Block-2
1 Borneras J2 Block 3
127
LISTA DE MATERIALES
DESCRIPCIÓN ACONDICIONAMIENTO DIGITAL 0V-5V
CANTIDAD MATERIAL REFERENCIA VALORES
1 Resistencias R1 10K
4 Resistencias R2,R5,R7,R10 10K
1 Resistencia R3 3K
2 Resistencia R4,R9 20K
1 Resistencia R6 100k
1 Resistencia R8 4K
4 Capacitores C1-C4 100nF
2 Integrados U1,U2 LM358
2 Diodos D1,D2 1N4733A
4 Borneras J2-J5 Block-2
1 Borneras J1 Block 3