diseño e implementación de un sistema de monitoreo y...
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Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Electrónica
Programa Especial de Titulación
"Diseño e implementación de un sistema
de monitoreo y control operativo de
alcoholemia para la empresa
Galvanoplastia Yhabal S.A.C."
Autor: Terrones Cabanillas Jhon Alex
Para optar el Título Profesional de
Ingeniero Electrónico
Lima, Peru219
II
DEDICATORIA
Dedico el presente informe a mi
familia y amigos que brindaron su
apoyo para efectuar la
investigación.
III
AGRADECICIMIENTOS
A Dios, a mi familia, a la empresa Galvanoplastia
Yhabal S.A.C y a todas aquellas personas que
personas que contribuyeron con el desarrollo de esta
investigación.
IV
RESUMEN
El informe expone el diseño e implementación de un sistema de monitoreo y control
operativo de alcoholemia instalado en un vehículo de la empresa Galvanoplastia Yhabal
S.A.C. de abreviatura “Galyhasac”, el cual transporta diariamente activos a diferentes
tiendas de una cadena de supermercados de Lima.
Debido a la ingesta de alcohol en los conductores, se cometían infracciones de tránsito y
accidentes en las instalaciones de los supermercados, sancionándose en varias
oportunidades a la empresa por su reincidencia de eventos, de esta manera se decidió
diseñar e implementar un sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia que
permita reducir el número de incidencias registrados.
El informe cuenta con una investigación aplicada para el diseño del sistema de monitoreo,
en el cual mediante estudios experimentales se implementó sensores no invasivos en la
cabina del vehículo; que permiten el control operativo de alcoholemia y determinan el
encendido del vehículo si el grado de alcoholemia supera los límites permitidos según las
normas peruanas.
V
Con la implementación del sistema se observó que el registro de accidentes disminuyó,
además el diseño no dificultó en la actividad de conducción del transportista, de esta
manera el sistema puede ser aplicado en cualquier cabina vehículo sin perder la eficacia
del monitoreo y control.
VI
INDICE
RESUMEN ....................................................................................................................... IV
INDICE ............................................................................................................................ VI
INDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... IX
INDICE DE TABLAS ...................................................................................................... XIII
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... XIV
CAPÍTULO 1 ..................................................................................................................... 1
ASPECTOS GENERALES................................................................................................ 1
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .................................................................................. 1
1.1.1. Descripción del problema ............................................................................ 1
1.1.2. Formulación del problema ........................................................................... 6
A. Problema general. ........................................................................................ 6
B. Problema específico. .................................................................................... 6
1.2. DEFINICIÓN DE OBJETIVOS .................................................................................... 7
1.2.1. Objetivo General. ......................................................................................... 7
1.2.2. Objetivos Específicos. ................................................................................. 7
1.2.3. Alcances y limitaciones ................................................................................ 7
A. Alcances. ...................................................................................................... 7
B. Limitaciones ................................................................................................. 8
1.2.4. Justificación de la investigación ................................................................... 8
1.2.5. Estado del arte ............................................................................................ 9
CAPÍTULO 2 ....................................................................................................................12
MARCO TEÓRICO ..........................................................................................................12
2.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ....................................................................................12
VII
2.1.1. Metabolismo del alcohol en conductores de vehículos ...............................12
2.1.2. Efectos del alcohol sobre las capacidades psicofísicas del conductor ........14
2.1.3. Fisiología y alcohol: Relación entre la concentración en sangre y aliento ...17
2.1.4. Sensores. ...................................................................................................19
A. Sensor de alcohol ....................................................................................... 20
B. Sensores de temperatura ........................................................................... 22
C. Sensores de humedad relativa ................................................................... 25
D. Reloj en tiempo real. ................................................................................... 27
E. Microcontroladores. .................................................................................... 29
CAPITULO 3 ....................................................................................................................36
DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ..................................................................................36
3.1. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL
OPERATIVO DE ALCOHOLEMIA. ........................................................................................36
3.2. DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDIR EL GRADO DE ALCOHOLEMIA. .......37
A. Sensor de Temperatura LM35. ..........................................................................37
B. Sensor de humedad relativa HS1101 ................................................................37
C. Concepto Ohmiómetro digital ............................................................................42
D. Sensor de gas alcohol MQ3 ...............................................................................46
3.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO DE ALCOHOLEMIA PARA LOS CONDUCTORES. .53
A. Módulo de temperatura. .....................................................................................54
C. Módulo de alcohol..............................................................................................55
D. Módulo de autocalibración y tiempo. ..................................................................56
E. Sistema monitoreo y control operativo de alcoholemia. .....................................56
3.4. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL OPERATIVO DE
ALCOHOLEMIA. ...............................................................................................................57
VIII
3.5. INTEGRACIÓN DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DEL VEHÍCULO Y EL SISTEMA DE MONITOREO
Y CONTROL DE ALCOHOLEMIA. ........................................................................................59
CAPITULO 4 ....................................................................................................................61
RESULTADOS ................................................................................................................61
4.1. RESULTADOS ..........................................................................................................61
4.2.- PRESUPUESTO ESTIMADO. ......................................................................................64
4.3. CRONOGRAMA ....................................................................................................65
CONCLUSIONES ............................................................................................................66
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................68
IX
INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Contrato de mantenimiento y servicio de galvanizado. ....................................... 3
Figura 2: Accidentes de tránsito y sus causas hasta el 2015. ............................................ 5
Figura 3: Causas que originan los accidentes de tránsito fatales y no fatales. ................... 6
Figura 4: Curva típica de alcoholemia. ............................................................................. 13
Figura 5: Reacciones en conductor por ingesta de alcohol .............................................. 17
Figura 6: Cuadro comparativo de sensores alcoholímetros. ............................................. 20
Figura 7 Sensor de gas de óxido de estaño .................................................................... 21
Figura 8: MQ-3 Sensor de gas etanol .............................................................................. 22
Figura 9: Tipos de sensores de temperatura .................................................................... 22
Figura 10: Cuadro comparativo de sensores de temperatura con salida de voltaje .......... 23
Figura 11: Sensor de temperatura LM 35 ......................................................................... 24
Figura 12: Sensor de temperatura básico (-20 ºC a +120 ºC) .......................................... 25
Figura 13: Tipos de sensores de humedad, patrones de humedad relativa .................... 25
Figura 14: Cuadro comparativo de tipo de sensores de humedad relativa de tipo capacitivo
........................................................................................................................................ 26
Figura 15: Sensor de humedad HS1101 .......................................................................... 27
Figura 16: DS 1307 Real time clock ................................................................................. 28
Figura 17: Ficha técnica del DS 1307 Real time clock .................................................... 29
X
Figura 18: Distribución de las 4 gamas de PIC ................................................................ 30
Figura 19: Comparativo de características de PIC 16F84 y PIC 16F877.......................... 31
Figura 20: Comparativo de Arquitectura Harvard de microcontroladores 16F84 y
16F877 ............................................................................................................................ 32
Figura 21: Descripción de puertos del PIC 16F877A ....................................................... 34
Figura 22: Banco de registro del PIC 16F877A ................................................................ 35
Figura 23: Diagrama de bloques del sistema de monitoreo y control operativo de
alcoholemia ..................................................................................................................... 36
Figura 24: Sensor de temperatura LM35 con R-C amortiguador ...................................... 37
Figura 25: Sensor de humedad relativa capacitivo HS1101 ............................................. 38
Figura 26: Curva de rango de operación .......................................................................... 38
Figura 27: Curva de respuesta característica típica de HS 1101 ...................................... 39
Figura 28: Diagrama del circuito de salida de frecuencia ................................................. 40
Figura 29: Error de medición vs Capacitancia parasita. ................................................... 42
Figura 30: Concepto de Ohmímetro simple ...................................................................... 43
Figura 31: Uso de un switch de rango electrónico en un Ohmímetro. .............................. 44
Figura 32: Pines de salidas del CD4066B. Usando pines 2, 3,9 y 10 como salida ........... 45
Figura 33: Resistencia del sensor vs concentración del gas. ........................................... 47
Figura 34: MQ3 especificaciones y pines de salida .......................................................... 47
XI
Figura 35: Circuitería del sensor para nuestro laboratorio note que la los pines de salida es
en general. Use CD4066B pines 2.3.9 y 10 como salida. ................................................ 51
Figura 36: Prueba de aliento ............................................................................................ 51
Figura 37: Unidades de medida de concentración de alcohol en una persona. ................ 52
Figura 38: Diagrama de flujo del sistema de monitoreo y control operativo de
alcoholemia ..................................................................................................................... 53
Figura 39: Diseño del módulo de temperatura ................................................................. 54
Figura 40: Diseño de módulo de humedad relativa .......................................................... 54
Figura 41: Diseño del MQ3 .............................................................................................. 55
Figura 42: Diseño del módulo de autocalibración ............................................................. 56
Figura 43: Diseño del sistema de detección y monitoreo del estado de ebriedad en
conductores de transporte público ................................................................................... 56
Figura 44: Verificar el cambio de temperatura del sensor LM 35 ..................................... 57
Figura 45: Lectura de humedad relativa mostrada en el LCD (H = 81%) ......................... 57
Figura 46: Induciendo el sensor en una copa de gaseosa 7UP [OH] = 0.1% BAC ........... 58
Figura 47: Prueba de alcoholemia con cerveza Brahma [OH]=4.8%BAC. ....................... 58
Figura 48: Registro de último evento de alcoholemia ....................................................... 59
Figura 49: Imagen del módulo de auto calibración y tiempo en el Simulador Isis Proteus
V7.8 ................................................................................................................................. 59
XII
Figura 50: Implementación de caja principal del sistema de monitoreo y control operativo
de alcoholemia................................................................................................................. 60
Figura 51: Implementación de sensor de alcoholemia en el asiento del conductor. ......... 60
Figura 52: Comparación de pruebas con alcoholímetro AT6000 ...................................... 62
XIII
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Inventario de activos por tienda .............................................................................. 2
Tabla 2: Cuadro de cobro del servicio de mantenimiento y galvanizado ............................. 3
Tabla 3: Descripción de alteraciones de las funciones sensoriales y perceptivas ............ 16
Tabla 4: Ley de Henry aplicada en el cuerpo humano ....................................................... 18
Tabla 5: Clasificación de sensores ..................................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 6: Cuadro de características del PIC 16F877A ........ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 7: Descripción de puertos A y B ................................................................................ 34
Tabla 8: Descripción de puertos C, D y E ........................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 9: Caracteristicas del sensor de humedad relativa .................................................. 38
Tabla 10: Caracteristica de los circuitos de salida de frecuencia ...................................... 41
Tabla 11: Resistencias nominales de calibración ............................................................... 50
Tabla 12: Prueba con sensores de temperatura y humedad expuestos en la cabina ....... 62
Tabla 13: Prueba con sensor de temperatura expuesto en la cabina ............................... 63
Tabla 14: Prueba con sensores de temperatura y humedad en interior de caja modular . 63
XIV
INTRODUCCIÓN
De acuerdo a una investigación de la Organización Mundial de la Salud, en el mundo se
registran 3.3 millones de muertes relacionados al consumo de alcohol, el cual un gran
porcentaje se debe al conducir en estado de ebriedad.. En el Perú de acuerdo a la
estadística de la Policía Nacional, se registraron 95,532 accidentes de tránsito en el 2015,
de los 7,738 accidentes corresponden por conducir en estado de ebriedad; siendo en
muchas oportunidades los peatones los más perjudicados de los accidentes de tránsito.
Por tal motivo se planteó una alternativa para reducir los accidentes por ingesta de alcohol
y buscar el interés y apoyo de las empresas privadas para invertir en la investigación y
desarrollo del tema.
El sistema de monitoreo y control operativo, se aplicó en una de las unidades de transporte
de activos de la empresa Galvanoplastia Yhabal S.A.C, de acuerdo a los resultados
obtenidos se continuó implementando en el resto de vehículos de la empresa. De esta
manera se busca atraer el interés de empresas u organizaciones que tengan como visión
de invertir en seguridad vehicular de bajo costo y alto rendimiento como la de un
alcoholímetro comercial.
XV
El sistema de monitoreo y control operativo cuenta con sensores no invasivos instalados
en el interior de la cabina del vehículo, con el fin de adquirir lecturas continuas que permitan
un mejor control del sistema de monitoreo. Así también se utiliza un microcontrolador de
gama media que ayudará reducir los costos del proyecto y determinar el grado de
alcoholemia del conductor.
Se pretende lograr reducir los accidentes reportados por las tiendas de los supermercados
en el traslado, carga o descarga de activos, por encontrar a los conductores de la empresa
Galyhasac con síntomas de ebriedad, como alcance de la investigación se implementará
en una de las camionetas de la empresa, un sistema que controle el encendido o marcha
del vehículo, bloqueándolo cuando se intente conducir a una concentración mayor a 0.5
BAC (concentración de alcohol en sangre en g/L) registrando y visualizando el evento de
alcoholemia superior permitido.
1
CAPÍTULO 1
ASPECTOS GENERALES
1.1. Definición del Problema
1.1.1. Descripción del problema
La empresa Galvanoplatía Yhabal SAC es una empresa peruana con mas de 12
años de experiencia que se dedica al servicio del galvanizado por inmersión en
caliente, brindando soluciones a los problemas de corrosión en las estructuras
metálicas.
Hace 7 años la empresa llegó a consolidar contratos de mantenimiento preventivo
y servicio de galvanizado a los activos de las tiendas de una de las principales
cadenas de supermercado. A continuación se describen los acitvos a los cuales la
empresa Galyhasac le brinda servicio de mantenimiento y galvanizado:
2
Tabla 1: Inventario de activos por tienda
Fuente: Inventario de servicio de Empresa Galhasac Yhaval S.A.C (2018).
ITEMCARRITOS
(Unidades)
GONDOLAS
(Paquetes)
ROLLYS HOR
(Unidades)
ROLLYS VERT
(Unidades)
1 P.V. MIRAFLORES 113 1 18 14
2 P.V. SUPER KIO 68 1 12 8
3 P.V. LURIN 133 1 20 6
4 P.V. GUARDIA CIVIL 238 1 13 8
5 P.V. BOLICHERA 180 1 12 10
6 P.V. ACHO 133 1 7 12
7 P.V. CINE RIMAC 100 1 7 9
8 P.V. UNIVERSITARIA 193 1 16 12
9 P.V. VILLA EL SALVADOR 248 1 20 5
10 P.V. JIRON DE LA UNIÓN 162 1 11 16
11 P.V. HUACHO 153 1 7 20
12 P.V. CHOSICA 208 1 7 15
13 P.V. CERES 180 1 5 18
14 P.V. PUENTE PIEDRA 208 1 17 4
15 P.V. CENTRO CÍVICO 195 1 15 6
16 P.V. IZAGUIRRE 182 1 9 12
17 P.V. VALLE HERMOSO 176 1 18 10
18 P.V. ZÁRATE 169 1 10 15
19 P.V. SUPER MERCADERES 193 1 12 12
20 P.V. SUPER DASSO 138 1 10 20
21 P.V. SUPER CORPAC 178 1 15 15
22 P.V. SUPER AYACUCHO 171 1 13 18
23 P.V. SUPER ALAMEDA SUR 213 1 7 17
24 P.V. SANTA CLARA 195 1 5 19
25 P.V. SAN JUAN DE LURIGANCHO 236 1 12 20
26 P.V. SAN JORGE 180 1 5 18
27 P.V. SALAMANCA 155 1 16 14
28 P.V. LOS OLIVOS 193 1 20 22
29 P.V. LA MOLINA 153 1 15 19
30 P.V. PRO 168 1 18 14
31 P.V. COMAS 83 1 4 15
32 P.V. COLONIAL 180 1 6 12
33 P.V. CAMINOS DEL INCA 220 1 12 18
34 P.V. EL CORTIJO 200 1 10 10
35 P.V. JOCKEY 258 1 15 14
36 P.V. HIGUERETA 238 1 15 13
37 P.V. PRIMAVERA 168 1 12 15
38 P.V. CALLAO 166 1 6 12
39 P.V. ATE 137 1 4 19
40 P.V. RISSO 183 1 7 16
41 P.V. SAN BORJA 180 1 8 15
42 P.V. VILLA MARINA 136 1 7 11
43 P.V. CHORRILLOS IGLESIAS 171 1 8 10
44 P.V. HUARAL 136 1 5 8
45 P.V. BRASIL 168 1 14 9
46 P.V. LA VICTORIA 133 1 11 12
47 P.V. EXPRESS BOLOGNESI 155 1 9 14
48 P.V. SANTA CRUZ 172 1 8 9
49 P.V. LA PAZ 181 1 4 12
50 P.V. BREÑA 138 1 12 11
51 P.V. SUPER RIMAC 163 1 5 9
52 P.V. MAGDALENA 191 1 7 7
53 P.V. LA PERLA 182 1 5 5
54 P.V. BARRANCA 145 1 9 4
55 P.V. SALAVERRY 193 1 14 11
56 P.V. VENTANILLA 208 1 8 13
57 P.V. PROCERES 192 1 6 7
58 P.V. ALFONSO UGARTE 178 1 8 5
59 P.V. MILENIA SAN ISIDRO 186 1 10 12
60 P.V. MÉXICO 171 1 12 5
61 P.V. SUPER CHACLACAYO 146 1 9 16
62 P.V. MAGNOLIAS 180 1 12 13
63 P.V. LA CURVA VMT 188 1 6 5
64 P.V. MEGA PLAZA EXPRESS 184 1 13 9
65 P.V. SUCRE 190 1 12 14
TOTAL 11310 65 685 798
TIENDA
3
De acuerdo al contrato que mantiene con la cadena de supermercados, en mutuo
acuerdo llegaron a fijar los precios del servicio de mantenimeinto preventivo y
galvanizado y la frecuencia a realizarse, los cuales se muestran a continuación:
Tabla 2: Cuadro de cobro del servicio de mantenimiento y galvanizado
Fuente: Cotización N° 12-1290 de la Empresa Galhasac Yhaval S.A.C (2018)
El contrato firmado entre ambas partes, la clausula undecima considera aplicar
penalidades en caso de daños con los activos, moviliarios o infraestructura, a
continuación se muestra parte de la clausula:
Figura 1: Contrato de mantenimiento y servicio de galvanizado.
Fuente: Contrato de mantenimiento preventivo y servicio de galvanizado (2016)
TIPO ACTIVO CANTIDADPRECIO
UNITARIOFRECUENCIA COSTO
CARRITOS 11310 65.00S/. Semestral 735,150.00S/.
GONDOLAS 65 180.00S/. Semestral 11,700.00S/.
ROLLYS HOR 685 90.00S/. Semestral 61,650.00S/.
ROLLYS VERT 798 120.00S/. Semestral 95,793.23S/.
TOTAL SEM 904,293.23S/.
TOTAL ANUAL 1,808,586.46S/.
UTILIDAD (25%) 452,146.62S/.
CUADRO DE COBRO SUPERMERCADO P.V*.
4
En el 2015 la empresa Galyhasac, requiere incoporar más vehículos a su flota de
camiones y camionetas a fin de poder cumplir con el porgrama de mantenimiento
preventivo y servicio de galvanizado debido al incremento de tiendas en todo Lima.
La empresa Galyhasac por ser una empresa familiar acostumbra incorporar a
choferes con vehículos propios, en la mayoría de oportunidades las personas que
se integran al staff de la empresa son amigos o referidos de los familiares donde
no se toma en cuenta los antecedentes del conductor y no se evalúa
psicológicamente sus personalidades.
Tambien a partir de ese año las tiendas clasífcan la atención de sus proveedores,
destinando horarios de atención de recojo de activos los días domingos y lunes
de 5am – 10am por lo cual la logística de la empresa Galyhasac modifica y
coordina con los conductores para puedan llevarse los vehículos a sus domicilios,
con el fin de iniciar la jornada los días domingos y lunes en la apertura de tienda
de las 5am.
Estos nuevos cambios generarán un problema para la empresa Galyhasac debido
a que se irán sumando las accidentes progresivamente durante el año 2015 por
encontrar conductores con ingesta de alcohol. Los primeros incidentes que se
reportaban en tienda ocasionaban daños puntuales y los conductores hacian trato
directo de correciones con el encargado de mantenimiento a fin de que no se
tomen acciones de suspensión. Los accidentes por alcoholemia fueron
aumentando y la empresa Galyhasac terminó asumiendo una perdida anual de
S/.57348.75 reprentando el 12.68% de las utilidades que genera la empresa.
La empresa recibió a finales del año una notificación del área de operaciones de
la cadena de supermercados para eliminar las incidencias, a fin de continuar con
el contrato de mantenimiento preventivo y servicio de galvanizado para el 2016.
condicionando a la empresa Galyhasac a implementar un plan de mejora para
evitar que a sus tiendas lleguen conductores con ingesta de alcohol.
5
Ante los beneficios ecocómicos que genera el contrato de mantenimiento
preventivo y servico de galvanizado, no es posible despedir a los conductores con
vehículos propios o de la empresa, pues causaría desatención en varias tiendas
de Lima y se aplicarían penalidades por incumplimiento de contrato, por lo que se
propone al gerente de la empresa Galyhasac, el Sr. Jaime Huamán, efectuar un
sistema electrónico que permita controlar el vehículo y monitorear el grado de
alcoholemia del conductor, como plan de mejora correctiva para evitar accidentes
por conducir en estado de ebriedad; brindando su apoyo y aprobación el día Lunes
11 de Enero del 2016 para su implementación.
Los conductores de la empresa Galyhasac integran parte de las estadisticas
nacionales de accidentes de tránsito por manejar en estado de ebriedad. En el
Perú, de acuerdo a la estadística publicada en el 2015 por la Policía Nacional del
Perú – Dirección de Estadística, se reportaron 95,532 accidentes de tránsito, de
los cuales el 8.1% son por encontrar al conductor en estado de ebriedad.
Figura 2: Accidentes de tránsito y sus causas hasta el 2015.
Fuente: Policía Nacional del Perú – Dirección de estadística. (2016)
6
Figura 3: Causas que originan los accidentes de tránsito fatales y no fatales.
Fuente: Policía Nacional del Perú – Dirección de estadística. (2016)
1.1.2. Formulación del problema
A. Problema general.
¿Cómo diseñar e implementar un sistema de monitoreo y control operativo de
alcoholemia para la empresa Galvanoplastia Yhabal SAC?
B. Problema específico.
- ¿Cómo diseñar un sistema electrónico que mida el grado de alcoholemia de los
conductores la empresa Galvanoplastia Yhabal SAC?
- ¿Cómo desarrollar un sistema de monitoreo de alcoholemia para los
conductores de la empresa Galvanoplastia Yhabal SAC?
- ¿Cómo integrar el circuito eléctrico de encendido del vehículo con el sistema
de control operativo de alcoholemia desarrollado para la empresa
Galvanoplastia Yhabal SAC?
7
1.2. Definición de Objetivos
1.2.1. Objetivo General.
Diseñar e implementar un sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia
para la empresa Galvanoplastia Yhabal S.A.C.
1.2.2. Objetivos Específicos.
- Diseñar un sistema electrónico que permita medir el grado de alcoholemia para
los conductores la empresa Galvanoplastia Yhabal SAC.
- Desarrollar un sistema de monitoreo de alcoholemia para los conductores de la
empresa Galvanoplastia Yhabal SAC.
- Integrar el circuito eléctrico de encendido del vehículo con el sistema de
monitoreo y control operativo de alcoholemia diseñado e implementado para la
empresa Galvanoplastia Yhabal SAC.
1.2.3. Alcances y limitaciones
A. Alcances.
La implementación del sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia
en una camioneta de marca Nissan, modelo Pick Up del año 1996 consta de
sensores no invasivos y un microcontrolador de gama media. El sistema se
encuentra conectado en serie al circuito eléctrico de arranque del vehículo en serie
entre la alimentación de la batería y el módulo de ignition o encendido.
El sistema además se encuentra encapsulado en una caja de plástico hermética
donde los orificios se encuentran sellados para evitar la manipulación o acceso a
reiniciar el sistema cunado se encuentre bloqueado por parte del conductor e
instalado en el panel de conducción del automóvil, consta de una alimentación
independiente a la batería.
8
B. Limitaciones
El sistema se limita a implementarse en cualquier vehículo de transmisión mecánica
que cuente con un sistema de encendido eléctrico por llave y Smith de encendido.
El sistema de monitoreo se limita a registrar el último evento de alcoholemia
superior a 0.5 BAC almacenado en la memoria eeprom del microcontrolador donde
permite observar la fecha y hora del evento por medio de un pulsador en cualquier
momento.
El control operativo del vehículo está diseñado para bloquear el encendido del
vehículo cuando el grado de alcoholemia sea mayor a 0.5 BAC y solo pueda
restablecerse el sistema por la propia entrada configurada que tiene el
microcontrolador, se limita proteger el sistema y el pulsador de reinicio de sistema
por medio de una caja plástica hermética instalada en el tablero de conducción.
El sistema implementado no está considerando las siguientes variables de estudio
- Reconocimiento de voz del conductor.
- Reconocimiento facial del conductor.
- Conducta del conductor.
- Reconocimiento de fatiga física del conductor.
- Comunicación satelital con central de comunicaciones de la empresa.
- Reconocimiento de destino mediante GPS.
1.2.4. Justificación de la investigación
Se justifica la investigación e implementación del sistema ya que contribuye al
desarrollo de la seguridad vial de conductores y peatones previniendo accidentes
por conducir en estado de ebriedad.
9
La implementación del sistema forma parte del plan de mejora que se le solicitado
a la empresa para la renovación del contrato por el mantenimiento preventivo y
servicio de galvanizado de activos, mediante el cumplimiento se planifica seguir
manteniendo utilidades proyectadas para investir en la compra de más vehículos de
transporte.
El sistema de monitoreo y control ha sido diseñado con componentes de bajo consto
y fácil instalación y calibración, lo que justifica la investigación a fin de brindar
soluciones económicas a empresas o personas que quieran invertir en la seguridad
vial del conductor y de los peatones.
1.2.5. Estado del arte
Seguidamente se describen las últimas investigaciones relacionadas con el
proyecto de investigación:
Nissan propone una nueva tecnología anti-conductor alcoholizado, lo cual parecía
complicado de realizarlo, pero la marca japonesa llegó a desarrollar con el objetivo
de salvar vidas. Nissan anuncia el Anti Drunk Driving Concept Technology
(Tecnología de concepto de conducción anti-ebrio) con la finalidad de introducirlo
como un nuevo producto para la producción de su marca. El objetivo principal de
la marca es reducir o evitar que la conducción del vehículo sea en estado de
ebriedad, para ello el vehículo cuenta con sensores ubicados en el asiento del
conductor y la palanca de cambio, detectando si el conductor se encuentra en
condiciones de manejar o bloquear si el sistema registra que el conductor no se
encuentra en sus cabales por efectos del consumo de alcohol. En caso el vehículo
se encuentre bloqueado, no tendrá más opción que buscar a otra persona que
maneje el vehículo o continúe su viaje en un taxi.
10
Esta nueva tecnología también incluye un sistema de reconocimiento facial que
determina si el conductor se encuentra con sueño mediante le parpadeo de ojos,
también cuenta con un sistema de detecta si el vehículo se encuentra dentro del
carril mientras está siendo conducido. Cuando el sistema determina que el
conductor no está con los comportamientos adecuados de manejo manda alertas
de voz para alarmar al conductor y continúa con la tensión del cinturón de
seguridad, de no tener respuesta el sistema bloqueará la transmisión del vehículo.
Este nuevo sistema se encuentra en prueba en un Sedan Nissan Fuga de
producción, por lo que se espera buenos resultados en las pruebas realizadas a fin
de que sea incorporado en la producción masiva de vehículos. (Nissan Motor
Corporation, 2016)
Toyota, 2014: La compañía Toyota trabaja en el desarrollo de un sistema que
impedirá que el automóvil sea manejado bajo los efectos del alcohol, en
colaboración con la empresa Hino Motors. De esta manera Toyota también se
suma a la cruzada mundial para evitar los accidentes automovilísticos causados
por el consumo de alcohol en los conductores. El funcionamiento del nuevo
sistema exigirá al conductor realizar una prueba de alcohol antes de encender el
vehículo. En caso de que un conductor se encuentre ebrio, el vehículo se
bloqueará y no podrá encenderse. Además, el sistema enviará una señal de
alarma a la central de la empresa dueña del vehículo para que pueda reportar la
ubicación del vehículo y/o recibir los primeros auxilios de parte de la empresa.
El sistema también cuenta con un mecanismo que permite tomar fotografía al
conductor a fin de evitar que alguien más pretenda suplantar al conductor en la
prueba de alcoholemia. (Dawson, 2017)
11
Ha surgido para algunos vehículos el NDrive G400, un navegador GPS con
alcoholímetro incorporado y que se vienen comercializando; hace más de un año
en el mercado europeo, el NDrive G400, toma el aire circundante del interior del
automóvil con el objetivo de establecer el nivel de intoxicación etílica y así poder
establecer si el conductor o la conductora están en condiciones de poder manejar
un auto en esas condiciones. El NDrive G400 precisamente mide esas pequeñas
cantidades de alcohol que afectan el comportamiento de conducción de la
persona y certifican al conductor como no apto para manejar. Otro de los
aditamentos interesantes de este aparato es la posibilidad de incorporación de
GPS, por supuesto, que además presta una valiosa ayuda adicional para el
usuario, pues le indica exactamente en dónde está ubicado y así poder tomar
conciencia de por ejemplo cuál es el camino más expedito a seguir. (Fuentes,
2017)
12
2.
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1. Fundamentos teóricos
2.1.1. Metabolismo del alcohol en conductores de vehículos
Se determinar que “La alcoholemia representa el volumen de alcohol existente en
la sangre y se cuantifica en gramos de alcohol por cada litro de sangre (g/l) o su
equivalente en aire espirado (mg/l)”. (Edwin, 2018)
La concentración de alcoholemia varía en el tiempo como resultado de los
procesos de absorción, distribución y metabolización. La detección de alcohol en
la sangre es 5 minutos después de haber sido ingerido, alcanzando el máximo
nivel entre los 30 y 90 minutos. Los factores que pueden determinar el grado de
alcoholemia son: La concentración de alcohol de la bebida, la rapidez con la que
se ingesta, el peso de la persona, la edad, el sexo, si la persona consumió
alimentos, la hora del día y distintas circunstancias personales.
Entre el 2 y el 10% del alcohol ingerido se llega a eliminar por medio de la orina,
sudor o aire expirado; es decir no se metaboliza.
13
La metabolización de alcohol en el ser humano es de 0.12g de alcohol por litro, lo
cual es independiente de los factores físicos, volumen ingerido o concentración de
alcohol ingerido por la persona
Figura 4: Curva típica de alcoholemia.
Fuente: Instituto universitario de tráfico y seguridad vial (INTRAS), (2017, pag. 45).
De acuerdo a la curva de alcoholemia, se identifican tres fases del proceso de
metabolismo del alcohol en el individuo:
Fase de intoxicación: Ocurre inmediatamente luego de la ingesta de alcohol. En
esta etapa se da la difusión por todo el organismo y su gráfica es de característica
ascendente
Fase de equilibrio (meseta): Es la fase donde se obtendrá la máxima
concentración de alcohol en la sangre y se genera el equilibrio entre la
metabolización (absorción) / eliminación (difusión) de alcohol, es decir se da la
máxima distribución del alcohol en la sangre.
14
Fase de desintoxicación: En esta fase se muestra la velocidad de reducción o
eliminación del alcohol, fruto de la metabolización. Es la fase de curva en forma
descendente.
La ingesta de alcohol puede verse influenciado por múltiples circunstancias pero
que al final reflejan la misma curva típica de alcoholemia, es decir en las tres fases
del proceso de metabolización: absorción, distribución y eliminación de alcohol. (
(Instituto Universitario de tráfico y seguridad vial (INTRAS), 2017).
2.1.2. Efectos del alcohol sobre las capacidades psicofísicas del conductor
El alcohol es una de las mayores fuentes de potenciación de la accidentalidad,
(Organización Panamericana de la Salud, 2015).
El alcohol produce diferentes alteraciones en la persona, siendo la más importante,
las capacidades psicofísicas las cuales representan un enorme riesgo al momento
de conducir.
De acuerdo al estudio realizado, cuando la concentración de alcohol es de 0.5 g/L
de sangre, las condiciones de sufrir un accidente se incrementan debido a las
alteraciones en las capacidades de conducir.
No mediante, cuando los conductores se encuentran en concentraciones de alcohol
menores a 0.5 g/L en la sangre existe un gran peligro para su seguridad, porque no
se adopta las precauciones del caso, tomando en cuenta que cada individuo tiene
diferentes reacciones al deterioro de sus capacidades de conducción (Organización
Panamericana de la Salud, 2015)
De acuerdo Ministerio de Interior - Dirección General de Tráfico (2014) afirma que
los deterioros de capacidades más importantes de la persona son los que se
mencionan a continuación:
15
a) Repercusiones sobre el comportamiento
Según estudios realizados existe una relación entre la ingesta de alcohol y las
infracciones por conducción, esto es debido a que el alcohol reduce la prudencia
y la responsabilidad, aumentando las conductas agresivas o impulsivas.
A continuación se describe las infracciones más comunes cometidas bajo los
efectos del alcohol:
Detenerse en el carril sin motivo alguno.
No guardar la distancia prudente con otro vehículo.
Realizar giros inadecuados.
Circular por un carril contrario o incorrecto.
No respetar las señales a tiempo, el tiempo de reacción es mayor.
b) Repercusiones sobre el procesamiento de la información.
Los efectos de la ingesta de alcohol alteran los mecanismos del procesamiento
de la información, así como la respuesta motora de los reflejos.
El aumento del riesgo no se debe solamente a estos errores, sino que el
incremento de tiempo para realizar estas maniobras, es decir el incremento del
llamado tiempo de reacción.
El tiempo de reacción es el tiempo que transcurre desde que el conductor percibe
un estímulo hasta que actúa en consecuencia. Este tiempo suele oscilar entre
0,75 y 1,5 segundos, dependiendo de una amplia variedad de factores.
El tiempo de reacción se divide en: Tiempo de decisión (intervalo de tiempo desde
la percepción del estímulo hasta el inicio de la respuesta) y tiempo de motor de
respuesta (Aquel tiempo que trata de completar la respuesta).
16
c) Alteraciones en la atención.
El alcohol afecta al sistema nervioso central, afectando en las capacidades de
conducción y aumentando la resistencia a la autonomía. También se genera la
fatiga y/o somnolencia.
d) Alteraciones de las funciones sensoriales y perceptivas.
La siguiente tabla nos indica las posibles alteraciones que puedan presentarse:
Tabla 3: Descripción de alteraciones de las funciones sensoriales y perceptivas
Fuente: Elaboración propia.
Grado de
Alcoholemia
Descripción de alteraciones de las funciones
sensoriales y perceptivas
0,2 - 0,5 g/L Dificultad en percibir correctamente luces y señales
0,5 - 0,8 g/L
Comienzan a apreciarse de forma equivocada las distancias y las
velocidades.
Se reduce la sensibilidad a la luz roja.
0,75 - 0,8 g/LAparecen cambios en los patrones de búsqueda visual y la
precepción del brillo.
0,8 - 1,2 g/L
Se reduce el campo visual (fenómeno de la visión en tunel).
Perturbación de la capcidad de adaptación de los ojos de ambientes
oscuros a claros, pudiendo ocurrir por tanto accidentes por
deslumbramientos.
17
Figura 5: Reacciones en conductor por ingesta de alcohol
Fuente: Fundación Instituto Tecnológico para la Seguridad del Automóvil (2014,
pág.67)
2.1.3. Fisiología y alcohol: Relación entre la concentración en sangre y aliento
La Ley de Henry menciona lo siguiente: “Existe una proporción fija, cuando una
solución acuosa como la sangre de un componente volátil como el etanol alcanza
el equilibrio con el aire, representado por aire alveolar a una temperatura
determinada”.
Entonces para poder encontrar una relación en el cuerpo humano se aplica la ley
de Henry, donde la proporción de alcohol en la sangre y el aliento, se relacionan
18
entre sí. De esta manera en el caso del cuerpo humano se establece los
siguientes:
Tabla 4: Ley de Henry aplicada en el cuerpo humano
Fuente: Nidia, (2017, pág. 3).
La temperatura del aliento al exhalar en el aire es ligeramente menor que la
temperatura del cuerpo humano, por lo tanto se considera para la investigación
una temperatura de 34 ºC.
Se debe resaltar que el ritmo de distribución es gobernado por factores biológicos
que guardan una relación entre la sangre y el aire exhalado por lo cual se aplica
un promedio estadístico, aplicando para la investigación una relación de: 2000:1
i. Predicción de la alcoholemia
Según (Ana, 2015) menciona lo siguiente:
Cálculos para predecir la alcoholemia
Para determinar máxima ingesta de alcohol tras el consumo de bebidas
alcoholizadas, se puede realizar cuando el individuo se encuentra en ayunas
y aplicando el siguiente cálculo:
𝐀𝐥𝐜𝐨𝐡𝐨𝐥𝐞𝐦í𝐚 𝐩𝐫𝐞𝐯𝐢𝐬𝐢𝐛𝐥𝐞 =𝐠𝐫𝐚𝐦𝐨𝐬 𝐝𝐞 𝐚𝐥𝐜𝐨𝐡𝐨𝐥 𝐚𝐛𝐬𝐨𝐥𝐮𝐭𝐨 𝐢𝐧𝐠𝐞𝐫𝐢𝐝𝐨𝐬
𝐊𝐠 𝐝𝐞 𝐩𝐞𝐬𝐨 𝐜𝐨𝐫𝐩𝐨𝐫𝐚𝐥 𝐱 𝟎,𝟕(𝐡𝐨m𝐛𝐫𝐞𝐬)𝐨 𝟎,𝟔(𝐌𝐮𝐣𝐞𝐫𝐞𝐬) (1)
LEY DE HENRY PERSONA
Cuando una solución en agua Sangre
De un componente volátil Alcohol
Llega a un equilibrio con el aire Pulmones
Existe una relación fija con el aire
Concentración de la solución en el aire
y en la disolución
Proporción 2000:1
Siendo constante para una tmeperatura dadaLa temperatura del
cuerpo es constante
La relación de concentraciones no depende del peso o constitución de la
persona.
19
Para determinar el tiempo en que se elimina el alcohol en el organismo puede
aplicarse el siguiente cálculo:
𝐓𝐢𝐞𝐦𝐩𝐨 (𝐡𝐨𝐫𝐚𝐬) 𝐧𝐞𝐜𝐞𝐬𝐚𝐫𝐢𝐨 𝐩𝐚𝐫𝐚 𝐥𝐚 𝐞𝐥𝐢𝐦𝐢𝐧𝐚𝐜𝐢ó𝐧 = 𝐚𝐥𝐜𝐨𝐡𝐨𝐥𝐞𝐦𝐢𝐚 (𝐠/𝐥)
𝟎,𝟏𝟓 (𝐠/𝐥/𝐡) (2)
Véase que se considera para la formula anterior como promedio de
eliminación de alcohol: 0,15 g/L por hora.
Para calcular el tiempo necesario para que la alcoholemia pueda reducir
hasta 0.5 g/L, se aplica la siguiente formula:
𝐓𝐢𝐞𝐦𝐩𝐨 (𝐡𝐨𝐫𝐚𝐬) = 𝐚𝐥𝐜𝐨𝐡𝐨𝐥𝐞𝐦𝐢𝐚 (𝐠/𝐥) – 𝟎,𝟓𝟎 (𝐠/𝐥)
𝟎,𝟏𝟓 (𝐠/𝐥/𝐡) (3)
2.1.4. Sensores.
Según (Edwin, 2018) en su tesis “Sistema de bloque vehicular mediante
alcoholímetro electrónico y notificación por comunicación móvil” afirma que un
sensor es un componente electrónico que recibe señales periféricas o de
magnitudes no eléctricas procesándolas para convertirlas en señales eléctricas
de voltaje o de corriente de bajo valor para usarse en un sistema más complejo.
En algunos casos se lo denomina también transductor.
Los sensores se clasifican de la siguiente manera:
- Por su aporte de energía: Modulares y generadores.
- Por su señal de salida: Analógicos y digitales.
- Por su modo de funcionamiento: Deflexión y comparación.
- Por su principio físico: Resistivo, capacitivo, inductivo etc.
- Por su magnitud de medida: Temperatura, presión, pH, etc.
20
A. Sensor de alcohol
Los alcoholímetros disponen de un sensor de alcohol capaz de medir la
concentración en el ambiente, así pues, nos permite saber la cantidad de alcohol
en aire espirado. Su aplicación más conocida es su uso por la policía para los
controles de alcoholemia, ya que es una forma rápida y eficaz de conocer si el
conductor de un vehículo está capacitado para conducir o no.
A continuación, se presenta un cuadro comparativo con los diferentes modelos de
sensores de alcohol:
Figura 6: Cuadro comparativo de sensores alcoholímetros.
Fuente: Elaboración propia.
Del cuadro anterior se observa que todos los sensores pueden medir alcohol y
otras sustancias gaseosas. Para la implementación del diseño de control
operativo se seleccionará el sensor MQ3 por contar con sus características de
medición de alcohol y bajo costo, garantizando la alta sensibilidad del sensor.
MODELO
MQ-3 MQ-303A MQ-135 MQ-138
CARACTERISTICAS
* Alta sensibilidad de alcohol y CO2
*Rapida respuesta y alta sensibilidad.
* Estable y de larga vida de uso.
*Posee un circuito simple de
operación.
* Alta sensibilidad de alcohol y CO2
*Rapida respuesta y alta sensibilidad.
* Estable y de larga vida de uso.
*Posee un circuito simple de
operación.
*Rapida respuesta y alta sensibilidad.
* Estable y de larga vida de uso.
*Posee un circuito simple de
operación.
* Permite medir algunos gases
peligrosos como Amoniaco, Dioxido
de Nitrógeno, Alcohol, Benzeno,
Dioxido y Monoxido de carbono
Son usados para alcoholimetros,
detectores de solventes, calidad de
aire en tiendas y oficinas para
detección Benzina, Amoniaco, CO,
etc.
PRECIO (Amazon) $5.99 $ 13.25 $18.00 $ 51.20
SENSORES ALCOHOLIMETROS
21
MQ-3 Sensor de gas etanol
De acuerdo a (Hanwei electronics CO. LTD) Cuenta con la información técnica
del sensor donde indica que pertenece a los sensores resistivos
concretamente a las resistencias semiconductoras para la detección de gas.
El MQ-3 es un sensor compuesto por un microtubo de óxido de aluminio
(Al2O3) cerámico, una capa sensitiva de dióxido de estaño (SnO2) un electrodo
medidor y un calentador que están montados sobre una placa de plástico
(baquelita) y acero inoxidable. Funcionamiento es por medio de un elemento
calefactor que hace que el alcohol del aliento se evapore y cambie las
propiedades de su elemento resistivo.
El MQ-3 tiene seis pines, cuatro de ellos usados para las señales, y otros dos
usados para la alimentación. El rango de temperaturas para su correcto
funcionamiento es de -10ºC a 50ªC, no debiendo salirse de – 20ºC a 70ºC
cuando este almacenado para evitar daños en los componentes.
Como el sensor tiene una sensibilidad diferente según la concentración de
gases, el fabricante recomienda calibrar el detector en 0,4 mg/l de
concentración de alcohol en aire usando un valor de resistencia de carga sobre
200kΩ.
Figura 7 Sensor de gas de óxido de estaño
Fuente: Ramón Pállas Areny. (2013, pág. 94).
22
Figura 8: MQ-3 Sensor de gas etanol
Fuente: Data sheet Hanwei Electronics.
B. Sensores de temperatura
Los tipos de sensores más utilizados para medir la temperatura son los siguientes:
Figura 9: Tipos de sensores de temperatura
Fuente: Adaptado de (Logicbus, 2019)
Para evaluar el tipo de sensor de temperatura que debemos seleccionar, debemos
tomar los siguientes parámetros:
- Sensibilidad
- Rango de valores
23
- Precisión
- Resolución
- Tiempo de respuesta
- Offset
- Tipo de salida
Además, para la selección del sensor de temperatura debemos considerar una
interfaz sencilla de comunicación con el microcontrolador, por lo que se recomienda
usar los sensores con salida de tipo voltaje.
Figura 10: Cuadro comparativo de sensores de temperatura con salida de voltaje
Fuente: Recuperado de (Eduardo, 2019)
24
De acuerdo a la tabla se procede a seleccionar al sensor LM35 ya que cuenta con
el rango más bajo de tolerancia y su costo es el más barato
Sensor de temperatura LM 35
De acuerdo a su ficha técnica no requiere una calibración externa y cuenta con
una precisión típica de ± 1 °C a temperatura ambiente y ± 1.5 °C a lo largo de su
rango de temperatura desde -20 °C bajo cero hasta los 120 °C.
Figura 11: Sensor de temperatura LM 35
Fuente: Recuperado de (Texas Instruments, 2017)
Características
- Se encuentra calibrado en grados Celsius (Centígrados).
- Posee un factor lineal de +10mV/°C.
- Cuenta con una precisión de 0,5°C a + 25°C.
- Es de bajo costo y fácil instalación.
- Funciona fuentes de alimentación desde 4V y 30V.
- Bajo auto-calentamiento (0,08 °C en aire estático).
25
Figura 12: Sensor de temperatura básico (-20 ºC a +120 ºC)
Fuente: Recuperado de (Texas Instruments, 2017)
C. Sensores de humedad relativa
Los sensores de humedad relativa se encargan de medir la concentración de agua
que se encuentra en el ambiente, para ello se cuenta con diferentes tipos de
sensores de humedad.
Figura 13: Tipos de sensores de humedad, patrones de humedad relativa
Fuente: Recuperado de (Metas & Metrólogos Asociados, 2018)
26
De acuerdo a la tabla, se elegirá para la implementación el sensor de humedad del
tipo capacitivo por contar con un amplio rango de humedad relativa para
temperatura ambiente de 0 a 100°C y los límites de tolerancia son más bajos.
Para la selección del modelo de sensor de humedad relativa de tipo capacitivo se
procede a realizar el siguiente cuadro comparativo:
Figura 14: Cuadro comparativo de tipo de sensores de humedad relativa de tipo
capacitivo
Fuente: Elaboración propia
De esta manera se selecciona el sensor de humedad relativa HS1101 por
encontrarse en stock inmediato, el resto demoran de 45 a 60 días su importación
en cantidades mayores a 12 unidades
Sensor de humedad relativa HS 1101
Según la ficha técnica de (Humirel 2014) basado en una única célula capacitiva,
es decir tiene el funcionamiento similar a una capacitancia de consensador y
varia de acuerdo a la constante dieléctrica del aire entre las placas. Tiene
muchas aplicaciones como en oficinas climatizadas, cabinas de control o
procesos para la industria. También se aplican para compensar la humedad en
ambientes donde sea necesario.
MODELO H.R. MIN H.R. MAX DESVIACIÓN T(°C) TRABAJO TIPO DE SALIDA PRECIO STOCK
HS 1100 1% 99% +- 2% -40 a 100 °C Capacitancia $10.45 Importación
HS1101 1% 99% +- 2% -40 a 100 °C Capacitancia $8.99 Local
HPP801A031-ND 1% 99% +- 2% -40 a 140 °C Capacitancia $16.46 importación
COMPARATIVO DEL TIPO DE SENSOR DE HUMEDAD RELATIVO
27
Figura 15: Sensor de humedad HS1101
Fuente: Recuperado de (Humirel, 2014)
Caracterisicas
Para trabajos normales no es necesario su calibración.
Protocolo de comunicación compatible para procesos automatizados.
Posse un alto grado de fiabilidad con respuestas rápidas.
D. Reloj en tiempo real.
Según (Martín Montero, 2018) indica que es un circuito integrado que permite
determinar la hora actual y se encuentran presentes en los aparatos electrónicos.
Están compuestos por un oscilador de cristal y en muchos de los casos la
frecuencia del oscilador es de 32.768 KHz, que es la misma frecuencia de los
relojes. Para el caso de la investigación se usará el RTC DS1307 pues es un
circuito integrado de bajo costo y cuenta con protocolo de comunicación I2C que
permitirá una fácil comunicación con el microcontrolador.
DS1307 Real time clock
Según (Dallas Semiconductor, 2019) El DS 1307 es un RTC (Real Time-Clock)
de bajo consumo energético. El dispositivo permite conocer la información del
tiempo en horas, minutos, segundos, días, fecha, meses y año. El reloj puede
28
configurarse en formato de 24 o 12 horas en AM/PM. El dispositivo también
cuenta con un sensor de voltaje que protege de fallas de alimentación.
Figura 16: DS 1307 Real time clock
Fuente: Obtenido de https://makerselectronics.com/product/real-time-clock-chip-rtc-ds1307.
Características:
Dispositivo electrónico de 56 Bytes, cuenta con una batería y una memoria
RAM No Volátil (NV).
Cuenta con una señal de salida de tipo de onda cuadrada e interface de
serie I2C.
El dispositivo posee un detector de fallo de energía automático y cuenta con
un circuito conmutación.
Es de bajo consumo energético, apenas 500nA de consumo en la batería.
La temperatura de trabajo del dispositivo es de -40°C a +85°C
El circuito típico de funcionamiento y configuraciones de pines aparecen en
la siguiente figura:
29
Figura 17: Ficha técnica del DS 1307 Real time clock
Fuente: Obtenido de https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/DS1307.pdf
E. Microcontroladores.
Según (Alvarado Cordova, 2015), afirma que los microcontroladores son circuitos
integrados programables, cuentan con una lista de instrucciones que existe en la
memoria interna del integrado. Los microcontroladores cuentan con un
microprocesador, entradas, salidas, memorias RAM y ROM. Para que el
microcontrolador ejecute una actividad específica debe generarse un programa
mediante la lista de instrucciones que cuentan el microcontrolador.
Los microcontroladores son dispositivos encapsulados con pocos pines y bajo
consumo de energía lo cual los hace muy rentable y que sean utilizados para
ejecutar de forma continua una secuencia de instrucciones que permita controlar
un sistema electrónico.
Los microcontroladores además cuentan con cuentan con convertidores
analógicos/digitales (A/D), temporizadores, comparadores, moduladores de ancho
de pulso, puerto de comunicación (USART) y protección ante fallo de alimentación.
30
Los microcontroladores más conocidos son los PIC de la compañía Microchip, los
cuales se distribuyen en 4 gamas:
Figura 18: Distribución de las 4 gamas de PIC
Fuente: (EcuRed, 2019)
Para seleccionar un microcontrolador se debe tomar en cuenta las siguientes
características principales del dispositivo electrónico:
- Procesador.
- Memoria para el almacenamiento del programa no volátil.
- Memoria para el almacenamiento de lectura/escritura de datos.
- Entradas/salidas para el control de periféricos.
- Recursos auxiliares.
A continuación, se realiza una comparación entre los controladores de gama
media y baja a fin de determinar que microcontrolador se utilizará para el
desarrollo del sistema de control.
31
Figura 19: Comparativo de características de PIC 16F84 y PIC 16F877
Fuente: Elaboración propia
32
Figura 20: Comparativo de Arquitectura Harvard de microcontroladores 16F84 y 16F877
Fuente: Elaboración propia con referencia en Angulo Usategui, J., Romero Yesa, S., & Angulo Martinez, I. (2003). Microcontroloadores PIC
Diseño práctico de aplicaciones 16F87x.
33
Para la investigación usaremos el microcontrolador de gama media PIC 16F877
pues posee mayores capacidades de almacenamiento y cuenta con una memoria
de programa y otra de datos. Además, cuenta con tres timers, un convertidor
Análogo – Digital de 10 bits y canales PWM.
El microcontrolador 16F877
Según (Alvarado Cordova, 2015) afirma que el microcontrolador 16F877 es
propio de Microchip y comercialmente se le conoce como PIC. Su
versatilidad y eficiencia hace que este microcontrolador sea considerado
para el informe realizado, además de contar con un puerto de comunicación
serial, amplia memoria para el programa, posee una memoria Flash (de
borrado electrónico) y un set de instrucciones reducidas (RISC).Entre sus
principales características se puede mencionar:
- Frecuencia máxima de trabajo de 20Mhz
- Memoria de programa flash de 8KB x 14 bits de palabra
- Memoria de datos RAM de 368 bytes
- Cuenta con una EEPROM de 256 Bytes
- Dispositivo electrónico de 40 pines
- 14 Interrupciones internas y externas
- 3 Timers
- 2 Módulos de captura – comparación -PWM
- 2 Puertos seriales
- Puertos E/S: A,B,C,D,E
- Puerto serie síncrono (SSP) con SPI y I2C
- 35 instrucciones de 14 bits
34
a) Puertos del microcontrolador:
A continuación, se describe los puertos del PIC 16F877A
Figura 21: Descripción de puertos del PIC 16F877A
Fuente: Elaboración propia
b) Banco de registros
Según (Alvarado Cordova, 2015) describe el banco de registro del
microcontrolador PIC 16F877 donde se muestra a detalle el mapa del archivo
de registros y la organización en los cuatros bancos:
PUERTO NOMBRE E/S PIN TIPO TIPO BUFFER DESCRIPCIÓN
RA0/AN0 2 I/O TTL Salida Analógica 0
RA1/AN1 3 I/O TTL Salida Analógica 1
RA2/AN2/Vref- 4 I/O TTL Salida Analógica 2 o referencia negativa de voltaje
RA3/AN3/Vref+ 5 I/O TTL Salida Analógica 3 o referencia positiva de voltaje
RA4/ToCKI 6 I/O TTL Entrada de timer 0
RA5/SS/AN4 7 I/O TTL Salida Analógica 4 o el esclavo seleecionado por el puerto serial sincrono
RB0/INT 33 I/O TTL/ST Digital I/O. Interruptor externo
RB1 34 I/O TTL Digital I/O.
RB2 35 I/O TTL Digital I/O.
RB3/PGM 36 I/O TTL Digital I/O. Entrada de programación en bajo voltaje
RB4 37 I/O TTL Digital I/O.
RB5 38 I/O TTL Digital I/O.
RB6/PGC 39 I/O TTL/ST Digital I/O. Interruptor debugger y programación de reloj ISCP
RB7/PGD 40 I/O TTL/ST Digital I/O. Interruptor debugger y programación de datos ISCP
RC0/T1OS0/T1CKI 15 I/O ST Salida del oscilador timer 1 o entrada de reloj del timer 1
RC1/T1OS1/CCP2 16 I/O ST Entrada del oscilador timer 1 o salida PMW 2
RC2/CCP1 17 I/O ST Entrada de captura y comparación o salida PWM 1
RC3/SCK/SCL 18 I/O ST Entrada o salida serial de reloj síncrono para modos SPI e I2C
RC4/SD1/SDA 23 I/O ST Entrada de datos SPI y modo I2C
RC5/SD0 24 I/O ST Salida de datos SPI
RC6/Tx/CK 25 I/O ST Transmisor asíncrono USART o el reloj síncrono.
RC7/RX/DT 26 I/O ST Receptor asíncrono USART o datos síncronos
RD0/PSP0 19 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD1/PSP1 20 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD2/PSP2 21 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD3/PSP3 22 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD4/PSP4 27 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD5/PSP5 28 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD6/PSP6 29 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RD7/PSP7 30 I/O ST/TTL Digital I/O. Parallel Slave Port data
RE 0/RD/AN5 8 I/O ST/TTL Puede ser control de lectura para el puerto esclavo paralelo o entrada analógica 5
RE1/WR/AN 9 I/O ST/TTL Puede ser escritura de control para el puerto paralelo esclavo o entrada analógica 6
RE2/CS/AN7 10 I/O ST/TTL Puede ser el selector de control para el puerto paralelo esclavo o la entrada analógica 7.
PORT A
Puerto I/O
bidiereccional
PORT B
Puerto I/O
bidireccional.
Puede ser
programado todo
como entradas.
PORT C
Puerto I/O
bidireccional
PORT D
Puerto bidireccional
paralelo
PORT E
Ppuerto I/O
bidireccional
35
Figura 22: Banco de registro del PIC 16F877A
Fuente: (Alvarado Cordova, 2015)
36
CAPITULO 3
DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
3.1. Diagrama de bloques del diseño del sistema de monitoreo y control operativo
de alcoholemia.
Mediante el análisis realizado en la selección de componentes en el capítulo
anterior, se representa a continuación el diagrama de bloques que permitirá
controlar el encendido del vehículo monitoreando el grado de alcoholemia del
conductor.
Fuente: Elaboración propia
Figura 23: Diagrama de bloques del sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia
37
3.2. Diseño del sistema electrónico para medir el grado de alcoholemia.
Se procede a analizar el acondicionamiento las señales de los sensores de
temperatura (LM35) y humedad (HS1101) para darle la condición de trabajo idónea
al sensor de alcohol (MQ3) y determinar el grado de alcoholemia del conductor.
A. Sensor de Temperatura LM35.
Para implementar el LM35 en el sistema de detección y monitoreo continuo del
estado de ebriedad, se utilizará la configuración de carga capacitiva, donde se
aplicará la configuración de conexionado donde el LM35 tiene la capacidad
limitada para conducir pesadas cargas capacitivas. El LM35 tiene la capacidad
de conducir cargas de 50pF sin preocupaciones especiales. Donde para mejorar
la tolerancia de capacitancia se utiliza un amortiguador RC en serie entre la
salida y tierra.
Figura 24: Sensor de temperatura LM35 con R-C amortiguador
Fuente: (Texas Instruments, 2017) LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors.
Obtenido de http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf
B. Sensor de humedad relativa HS1101
Su diseño es mediante una célula capacitiva aplicable en grandes volúmenes de
aire y de bajo costo.
38
Figura 25: Sensor de humedad relativa capacitivo HS1101
1) Clasificaciones máximas (Ta = 25 ° C a menos que se indique lo contrario)
Tabla 5: Caracteristicas del sensor de humedad relativa
Fuente: Recuperado de http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
2) Rango de operación (Ta = 25 ° C a menos que se indique lo contrario)
Figura 26: Curva de rango de operación
Fuente: Recuperado de http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
RANGO SIMBOLO VALOR UNIDADES
Temperatura Ta -40 a 100 °C
Temp. Almacenamiento Tstg -40 a 125 °C
Tensión Alimentación Vs 10 Vac
Rango Humedad de Trabajo RH 0 a 100 %RH
Suelda T=260°C T 10 s
39
3) Curva de respuesta tipica de HS1100/HS1101 de humedad (Medida de frecuencia:
10KHz y Ta= 25°C)
Se observa que lugo del 75% de humedad hay un ligero cambio de pendiente que
se tomara en cuenta en el programa trabajando con 2 rangos de 0% a 80% y de
80% a 100% de humedad relativa.
Respuesta polinomial:
C(pf )= C@55%*(1.2510-7RH3 – 1.3610-5RH2 + 2.1910-3RH + 9.010-1) RH in %RH
(7)
4) Medición de la influencia frecuencia
De su hoja de datos, todas las mediciones de capacitancia son @ 10kHz. Sin
embargo, el sensor puede funcionar sin restricción desde 5 kHz a 100 kHz. Para el
cálculo de la influencia de frecuencia en las mediciones de capacitancia:
C@ f kHz = C@ 10 KHz (1.027- 0.01185 Ln (f KHz)) (8)
5) Circuito de salida de frecuencia: Este es el circuto que se tomo en cuenta en este
proyecto. Este circuito es el diseño típico para astable 555. El HS1101, utilizado
Figura 27: Curva de respuesta característica típica de HS 1101
Fuente: Recuperado de http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf.
40
como condensador variable, está conectado a la TRIG y el pasador Thres. Pin 7
se utiliza como un pasador corto circuito para la resistencia R4.
El condensador equivalente HS1101 se carga a través de R2 y R4 a la tensión de
umbral (aproximadamente 0.67Vcc) y se descarga a través de R2 sólo al nivel de
disparo (aproximadamente 0.33Vcc) desde R4 se acorta a tierra por el pasador 7.
Puesto que la carga y descarga del sensor de ejecutar a través de diferentes
resistencias, R2 y R4, el ciclo de trabajo está determinada por:
Thigh = C@%RH*(R2+R4)+Ln2 (9)
Tlow = C@%RH*R2*ln2 (10)
F = 1/ (thigh + tlow) = 1/ (C@%RH*(R4+2*R2)*ln2) (11)
Output duty cycle = thigh * F =R2/(R4+2*R2) (12)
Para proporcionar un ciclo de trabajo de salida de cerca de 50%, R4 debe ser muy
baja en comparación con R2 pero nunca bajo un valor mínimo.
La resistencia R3 es una protección contra cortocircuitos. 555 debe ser una versión
CMOS.
Figura 28: Diagrama del circuito de salida de frecuencia
41
Fuente: Recuperado de http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
Tabla 6: Caracteristica de los circuitos de salida de frecuencia
%RH FREQ (Hz)
0 7351
10 7224
20 7100
30 6976
40 6728
50 6600
60 6468
70 6330
80 6786
90 6186
100 6033
Fuente: Recuperado de http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
Respuesta polinomial:
Fmes(Hz)=F55(Hz)(1.1038 – 1.9368x10-3 x RH + 3.0114x10-6 xRH2 – 3.4403x10-8xRH3)
(13)
42
Figura 29: Error de medición vs Capacitancia parasita.
Fuente: Recuperado de http://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
Para minimizar la capacitancia parásita en el diseño. La capacitancia añadida
actuará como un condensador en paralelo con el sensor y la caja.
C. Concepto Ohmiómetro digital
1) Mediciones de tensión utilizados para calcular las resistencias
De acuerdo a la Figura 29, se observa una resistencia de calibración Rc que se
encuentra en serie con una resistencia desconocida Ru. El voltaje VA aplicada a
las dos resistencias, que se denomina como nodo A, y la tensión VB entre las
dos resistencias, que se denomina como el nodo B. Para medir resistencia
desconocida se utilizará un óhmetro digital donde la medición de la corriente a
través de la resistencia de calibración utilizando VA, VB, RC y la ley de Ohm, nos
determinará el siguiente resultado:
𝐑𝐔 =𝐕𝐁
𝐕𝐀−𝐕𝐁=
𝐕𝐁𝐕𝐀
𝟏−𝐕𝐁𝐕𝐀
. 𝐑𝐂 (14)
2) La precisión de óhmetros digitales
La precisión de un ohmímetro puede ser evaluada por medio de la sensibilidad
del valor medido con los parámetros óhmetro. Estas sensibilidades son derivadas
43
parciales de RU con respecto a VA, VB, (VA/VB) y RC en (14). Estas
sensibilidades son:
𝛛𝐑𝐔
𝛛𝐕𝐀= −
𝐕𝐁
(𝐕𝐀−𝐕𝐁). 𝐑𝐂 = −
𝐑𝐔
𝐕𝐀−𝐕𝐁
𝛛𝐑𝐔
𝛛𝐕𝐁=
𝐕𝐁
(𝐕𝐀−𝐕𝐁)𝟐 . 𝐑𝐂 =
𝐕𝐀
𝐕𝐁.(𝐕𝐀−𝐕𝐁). 𝐑𝐔
𝛛𝐑𝐔
𝛛𝐑𝐂=
𝐕𝐁
(𝐕𝐀−𝐕𝐁)=
𝐑𝐔
𝐑𝐂
(15)
La precisión de un ohmiómetro digital se muestra por (15) para ser el mejor
cuando VB es aproximadamente la mitad de VA, y que la lectura de la resistencia
será tan exacta como la resistencia de calibración y sobre dos bits menos preciso
que la medición de la tensión VB. Desde voltajes se puede medir a una precisión
de 10 a 16 bits de forma fácil y económicamente, un ohmiómetro digital puede
ser tan exacto como el más pequeño de la resistencia de la resistencia de
calibración RC o dos bits menos que la longitud de la palabra de ADC.
Figura 30: Concepto de Ohmímetro simple
Fuente: Recuperado de https://www.electroschematics.com/wp-
content/uploads/2011/04/cd4066-datasheet.pdf.el día 04/11/12 a las 12:40 hrs
3) Basada en microcontrolador rango automático
Con un microcontrolador PIC de bajo costo, se puede medir VA y VB de 10 bits
de la precisión con la analógica a bordo a la digital (ADC). El PIC también puede
44
aceptar el teclado o en un solo bit entradas digitales, y puede conducir a un
período de tres hilos RS-232 o el mando red de área (CAN), autobús o en otra
comunicación de dos vías digital.
Se puede observar que tenemos que ajustar la resistencia de calibración RC para
mantener la tensión VB aproximadamente la mitad de la tensión de la fuente VA.
Esto se realizará mediante el uso de las salidas binarias del microcontrolador
para operar un interruptor CMOS. El circuito básico se muestra en la Figura 29.
La señal del interruptor viene directamente de un pin de salida del
microcontrolador. Varias resistencias de calibración están conectadas a la
resistencia de verificación, y es sólo un interruptor electrónico ON.
Figura 31: Uso de un switch de rango electrónico en un Ohmímetro.
Fuente: https://www.electroschematics.com/wp-content/uploads/2011/04/cd4066-
datasheet.pdf.
La resistencia ON del CD4066B es el valor más bajo que se obtiene en la
resistencia cuando el voltaje de la señal está en la alimentación positiva tensión,
lo que indica que la configuración se dan los más bajos en la resistencia de un
determinado dispositivo. La hoja de datos afirma que el máximo en la resistencia
es aproximadamente el doble del típico en la resistencia como algo dado, por lo
que desde la figura 23 se observa que 500 Ω es un límite superior para la
resistencia ON cuando utilizamos la configuración de la figura 24. Mantenemos
45
precisión mediante la detección VA cuando la resistencia de calibración es menor
que aproximadamente 25kΩ.
El pasador de salida de la CD4066B se muestra en la Figura 25.
Figura 32: Pines de salidas del CD4066B. Usando pines 2, 3,9 y 10 como salida
Fuente: https://www.electroschematics.com/wp-content/uploads/2011/04/cd4066-
datasheet.pdf.
4) La medición de la resistencia de la CD4066B
Construya el circuito de la Figura 4 y utilizar una resistencia RC de 1000 Ω,
y un circuito corto para la resistencia bajo prueba RU. Medir la salida de la
fuente de alimentación para obtener un exacto número para vs, la utilización
de su DVM banco y registrar la tensión a lo más alto con una precisión
posible. Utilizar el voltímetro mismo para medir VA. Ya que estamos usando
un cortocircuito para RU que VB será cero. Utilice el multímetro de banco
para medir la resistencia exacta de RC. Entonces, la resistencia ON del
interruptor bajo prueba es
𝐑𝐎𝐍 = (𝐕𝐒
𝐕𝐀− 𝟏) . 𝐑𝐂 (15)
46
D. Sensor de gas alcohol MQ3
Este sensor es un metal óxido semiconductor de película gruesa tal como óxido
de estaño, SnO2, Con un elemento de calentamiento. Cuando el óxido metálico
se calienta en el aire, los electrones de los donantes en el cristal las superficies
de transferencia de oxígeno adsorbido, generando un revestimiento de oxígeno
cargada negativamente iones capacitivos de equilibrio de carga de los efectos de
generar una carga espacial de carga positiva capa en el semiconductor, que
aprieta la capa conductora y reduce corriente flujo. Cuando un gas está presente
que puede reaccionar con la capa de iones de oxígeno, esto disminuye el número
de iones de oxígeno que a su vez reduce la carga espacial y aumenta actual flujo.
El sensor debe estar caliente y deja que se estabilice para lograr la exactitud, pero
si se hace esto, los resultados son muy fiables posible durante largos períodos de
uso.
𝐑𝐒 = 𝐑𝐂𝐀𝐋𝐋. [𝐂
𝐂𝐂𝐀𝐋]−𝛂
(16)
Donde:
RS: Resistencia del sensor
RCALL: Resistencia en el punto de calibración
C: Concentración de gas
CCALL: Concentración de gas en el punto de calibración
α: Pendiente de la curva en un gráfico log-log.
La resistencia medida del sensor frente a la concentración de gas se muestra a
continuación en la Figura 24. La concentración de gas se encuentra resolviendo
(16) para C,
𝐂 = [𝐑𝐬
𝐑𝐂𝐀𝐋]−𝟏
𝛂 . 𝐂𝐂𝐀𝐋 (17)
47
Las especificaciones del MQ3, son:
Figura 33: Resistencia del sensor vs concentración del gas.
Fuente: Recuperado de https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/MQ-3.pdf.
Figura 34: MQ3 especificaciones y pines de salida
Fuente: Recuperado de https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/MQ-3.pdf
el día 28/12/12 a las 13:40 hrs.
48
1) El sensor y su circuitería
Esta hoja de datos e información técnica para el MQ3 muestran diseños de la
resistencia del sensor a la fuente de voltaje. Esto proporciona una salida que
aumenta con la Concentración de gas en un circuito de complejidad mínimo. La
resistencia distinta también sirve como una resistencia de limitación de
potencia, asegurando que la potencia en el mismo sensor que nunca excede
calificación máxima de 15 milivatios. La ecuación para el valor mínimo de la
resistencia de calibración ohmiómetro RC para limitar la potencia a un sensor
resistencia
𝐑𝐂 ≥𝐕𝐂𝟐
𝟒.𝐏𝐌𝐀𝐗 (18)
Para una tensión de alimentación VC de 5 voltios y una potencia máxima de
carga de 15 milivatios, la resistencia de carga mínima es:
RL ≥ 416.7 Ω (5 volts, 15 miliwatts) (19)
Así que vamos a utilizar una resistencia de calibración mínimo de 500 Ω con la
resistencia ON de la CD4066B como un factor de seguridad añadido.
Por cada interruptor que se utiliza en el CD4066B, el pin de entrada que viene
desde arriba o desde la izquierda en la figura 31, es una de las patillas 2, 3, 9.
La hoja de datos de información se muestra que tanto la base coeficiente RCALL
y el coeficiente de sensibilidad α en (16) varían entre los sensores, en particular,
la base coeficiente. Así, cada sensor debe ser calibrado antes de su uso, y el
software en el microcontrolador debe proporcionar una manera de hacer esto.
El valor de α también varía significativamente como se muestra por el valor
relacionado β que se da en la hoja de datos.
49
𝛃 = [𝟑𝟎𝟎
𝟓𝟎]−𝛂
(4.5) (20)
La inversa de (20) es
𝛂 =−𝐥𝐧 (𝛃)
𝐥𝐧(𝟑𝟎𝟎
𝟓𝟎)=
−𝐥𝐧 (𝛃)
𝟏.𝟕𝟗𝟐 (21)
La gama de valores de α es de 0,39 a 0,67, una proporción de
aproximadamente 7:4. Para uso nocional, esta variación es aceptable si el
sensor está calibrado en el valor más crítico de C para el aplicación, CCALL y el
uso del sensor es más preciso en una gama de C centrado en este valor. Desde
esta lógica, y también la observación de los valores aparentes de cerca de
0.633 en α, se utilizará un valor nocional de 0,633 para α en este laboratorio.
Nótese que (16) se rompe para el cero C de modo que la resistencia del sensor
en el aire no es útil en la calibración. La hoja de datos da un rango de 1kΩ a
5kΩ de resistencia del sensor en 300 ppm de alcohol vapor, lo que tiene un
valor medio de 2236 Ω, que corresponde a una resistencia del sensor de
alrededor de 2800 Ω a 208 ppm. Esto define los requisitos de calibración de los
sensores:
• El valor nocional de 0,633 para α y un valor predeterminado de 2800 Ω para
RCALL,
• Calibrar el sensor de la concentración de gas más importante para el uso
previsto, por ejemplo, 208 ppm, lo cual corresponde a un BAC de 0.08%, el
límite legal de DUI citas en la mayoría de los estados.
El software microcontrolador inicializará con un valor nominal de calibración
para el parámetro RCALL en (4.1) de 2800 Ω. Una entrada de pulsador para el
50
microcontrolador medir la resistencia del sensor en ese momento y sobre
memorizar este valor.
2) Integración de la circuitería del sensor con el microcontrolador
El conjunto de las resistencias de calibración para la selección automática del
rango.
Utilice los valores de la resistencia en la Tabla 11. Se mide las resistencias
con el multímetro y se registra los valores a lo más alto con una precisión como
sea posible, que va a utilizar estos valores en el software microcontrolador, y
que son críticos para la exactitud del analizador aliento.
Tabla 7: Resistencias nominales de calibración
Fuente: Recuperado de
http://rowan.jameskbeard.com/Electronics_I_ECE_Materials/Microcontroller_Breat
h_Analyzer_Lab_Protocol_01.pdf el día 28/12/16 a las 14:10hrs
Index
Nominal
Calibration
Resistance
0 500 W
1 1000 W
2 2000 W
3 5000 W
4 10 KW
5 20 KW
6 50 KW
7 100 KW
51
Figura 35: Circuitería del sensor para nuestro laboratorio note que la los pines de salida
es en general. Use CD4066B pines 2.3.9 y 10 como salida.
Fuente: Recuperado de
http://rowan.jameskbeard.com/Electronics_I_ECE_Materials/Microcontroller_Breath_Anal
yzer_Lab_Protocol_01.pdf
3) Prueba de aliento.
Por medio de la prueba de aliento, se determinará la concentración de
alcoholemia del conductor,
Figura 36: Prueba de aliento
Fuente: Luis Araya, Supervisor nacional y experto en alcohol/sensores - diario La Nación.
52
4) Relación entre concentración de alcohol en el aliento (BrAC) y alcohol en la
sangre (BAC).
Las concentraciones de alcohol en una persona pueden medirse mediante la
concentración de alcohol en la sangre (BAC) o en el aliento (BrAC), para ello
presentamos en ambos casos las unidades en las cuales puede tomar mediciones.
Figura 37: Unidades de medida de concentración de alcohol en una persona.
Fuente: Manual de alcoholímetro AT 6000
53
3.3. Diseño del sistema de monitoreo de alcoholemia para los conductores.
Se desarrolla el siguiente diagrama de flujo para monitorear el grado de alcoholemia
de los conductores.
Figura 38: Diagrama de flujo del sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia
Fuente: Elaboración propia
A continuación se desarrolla el diseño cada módulo que se requiere para el sistema
de monitoreo de alcoholemia:
INICIO
Conductor ingresa vehículo
Coloca llave en Switch Encendido (SE)
SE ≠ OFF
Sistema en modo reposo
"Pongase cinturon"
RA4
RA4 = 1
"Por favorsoplar..."
Medir:T(°C) y H.R.
Sistema energizado
No
No
Calcular:[OH]
10 < T(°C) < 45&
50% <HR< 93%
[OH] < 0.5 BAC
"Encender vehículo"
Calcular [OH] cada 2 minutos
[OH] > 0.5 BAC
Desea continuarmanejando
No
No
No
No
Habilita Rele Encendido
"SistemaBloqueado"
Deshabilita Rele Encendido
FIN
A B
BA
54
A. Módulo de temperatura.
Este módulo tiene como componentes una resistencia de 75Ω, un condensador
cerámico de 1uF y el LM35, además para amplificar la señal de salida se hace uso
de un circuito amplificador LM741.
Figura 39: Diseño del módulo de temperatura
Fuente: Elaboración propia
B. Módulo de humedad relativa.
Este módulo está utilizando un timer 555 porque el sensor es capacitivo no hay
manera de leerlo con el microcontrolador, para ello se está acondicionando dicho
timer 555 como modo astable ya que al variar la capacitancia variara la frecuencia
de los pulsos generados por este timer, y es lógico ya que la capacitancia es
directamente proporcional con la humedad relativa.
Figura 40: Diseño de módulo de humedad relativa
Fuente: Elaboración propia
30.0
3
1
VOUT2
U1
LM35 R175
C21u
3
2
6
74 1 5
U8
741
R5
300k
R15100k
U8(V+)
R1(1)
U8(OP)
R2909k
R4
DC7
Q3
GN
D1
VC
C8
TR2
TH6
CV5
U3
555
C10.00000001u
R3576k
R4
49.9k
R14
1k
55
C. Módulo de alcohol.
El modulo está compuesto por el sensor de alcohol MQ3, en la simulación con
el Proteus se está simulando por medio de una resistencia variable, ya que este
sensor es de tipo resistivo. Por otra parte, se está utilizando switches digitales
(CD4066B) que buscan obtener una resistencia de calibración óptima que
permite obtener un voltaje en el Hb a la mitad de las entradas que alimentan al
sensor.
Fuente: Elaboración propia
Figura N°34: Diseño de switches digitales CD4066B
Fuente: Elaboración propia
1 2
13
U4:A
74HC4066
11 10
12
U4:B
74HC4066
4 3
5
U4:C
74HC4066
8 9
6
U4:D
74HC4066
1 2
13
U5:A
74HC4066
11 10
12
U5:B
74HC4066
4 3
5
U5:C
74HC4066
8 9
6
U5:D
74HC4066
1 2
13
U6:A
74HC4066
11 10
12
U6:B
74HC4066
4 3
5
U6:C
74HC4066
8 9
6
U6:D
74HC4066
1 2
13
U7:A
74HC4066
11 10
12
U7:B
74HC4066
4 3
5
U7:C
74HC4066
8 9
6
U7:D
74HC4066
R6
551
R7
978
R8
2140
R9
5500
R10
9800
R11
17700
R12
54900
R13
99600
54%
R_SENSOR
50k
Figura 41: Diseño del MQ3
56
D. Módulo de autocalibración y tiempo.
Este modulo de reloj a tiempo real permitira calibrar cada cierto intervalo de
tiempo todo el sistema de tal forma que se eviten generar errores en la toma de
datos por parte de los sensores. De la misma ayudara a guardar datos de cuando
fue la ultima vez que se encendio el sistema.
Figura 42: Diseño del módulo de autocalibración
Fuente: Elaboración propia
E. Sistema monitoreo y control operativo de alcoholemia.
A continuación se muestra la integración de todos los módulos que se diseñaron
para integrar el sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia.
Figura 43: Diseño del sistema de detección y monitoreo del estado de ebriedad
en conductores de transporte público
Fuente: Elaboración propia
VBAT3
X11
X22
SCL6
SDA5
SOUT7
U9
DS1307
R174.7k
R184.7k
X1CRYSTAL
BAT1
3V
R1610k
30.0
3
1
VOUT2
U1
LM35 R175
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/C2OUT7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40
RB6/PGC39
RB538
RB437
RB3/PGM36
RB235
RB134
RB0/INT33
RD7/PSP730
RD6/PSP629
RD5/PSP528
RD4/PSP427
RD3/PSP322
RD2/PSP221
RC7/RX/DT26
RC6/TX/CK25
RC5/SDO24
RC4/SDI/SDA23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV1
U2
PIC16F877A
R2909k
R4
DC7
Q3
GN
D1
VC
C8
TR2
TH6
CV5
U3
555
C10.00000001u
R3576k
R4
49.9k
1 2
13
U4:A
74HC4066
11 10
12
U4:B
74HC4066
4 3
5
U4:C
74HC4066
8 9
6
U4:D
74HC4066
1 2
13
U5:A
74HC4066
11 10
12
U5:B
74HC4066
4 3
5
U5:C
74HC4066
8 9
6
U5:D
74HC4066
1 2
13
U6:A
74HC4066
11 10
12
U6:B
74HC4066
4 3
5
U6:C
74HC4066
8 9
6
U6:D
74HC4066
1 2
13
U7:A
74HC4066
11 10
12
U7:B
74HC4066
4 3
5
U7:C
74HC4066
8 9
6
U7:D
74HC4066
R6
551
R7
978
R8
2140
R9
5500
R10
9800
R11
17700
R12
54900
R13
99600
21%
R_SENSOR
50k
R14
1k
0
11 calibra
0 modo OH
C21u
D7
14
D6
13
D5
12
D4
11
D3
10
D2
9D
18
D0
7
E6
RW
5R
S4
VS
S1
VD
D2
VE
E3
LCD1LM016L
3
2
6
74 1 5
U8
741
R5
300k
R15100k
U8(V+)
VBAT3
X11
X22
SCL6
SDA5
SOUT7
U9
DS1307
R1(1)
U8(OP)
R174.7k
R184.7k
X1CRYSTAL
BAT1
3V
R1610k
57
3.4. Implementación del sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia.
Se procede a realizar el circuito en placa impresa, para la verificación y toma de
datos de los sensores implementados para el sistema:
Prueba de temperatura:
A continuación se muestra la rápida respuesta de lectura del sensor LM 35 ante la
presencia de una pistola de soldar.
Fuente: Elaboración propia
Prueba de humedad relativa:
Se verifica la medición que realiza el sensor de humedad relativa al ambiente donde
se realizó la prueba.
Fuente: Elaboración propia
Figura 44: Verificar el cambio de temperatura del sensor LM 35
Figura 45: Lectura de humedad relativa mostrada en el LCD (H = 81%)
58
Prueba de Alcohol:
- Se realiza la primera de medición de alcohol con una bebida gasificada con un
porcentaje de alcohol según su composición del 0% de alcohol.
Fuente: Elaboración propia
- Se realiza la segunda de medición de alcohol con una bebida alcohólica con un
porcentaje de alcohol según su composición del 4.8% de alcohol, donde se observa
que en el trance del tiempo aumenta el valor de medición de alcohol.
Figura 47: Prueba de alcoholemia con cerveza Brahma [OH]=4.8%BAC.
Fuente: Elaboración propia
Prueba de almacenamiento de último evento de alcoholemia:
Se observa que el sistema almacena el último evento de alcoholemia registrado por
el conductor, de esta manera se valida que el sistema se encuentra monitoreando
el grado de alcoholemia continuamente.
Figura 46: Induciendo el sensor en una copa de gaseosa 7UP [OH] = 0.1% BAC
59
Fuente: Elaboración propia
3.5. Integración del circuito eléctrico del vehículo y el sistema de monitoreo y
control de alcoholemia.
Se procede a simular el circuito eléctrico de encendido del vehículo, conformado
por el relé de potencia o encendido y el switch de ignition; que mediante las
condiciones de control y monitoreo permitirán energizar la bobina del relé de
bloqueo de embrague permitiendo o no el encendido del vehículo.
Figura 49: Imagen del módulo de auto calibración y tiempo en el Simulador Isis Proteus V7.8
Fuente: Elaboración propia
Figura 48: Registro de último evento de alcoholemia
60
Luego se procede a realizar la instalación del sistema en el vehículo, como
muestran las siguientes imágenes:
Fuente: Elaboración propia
Fuente: Elaboración propia
Figura 50: Implementación de caja principal del sistema de monitoreo y
control operativo de alcoholemia
Figura 51: Implementación de sensor de alcoholemia en el asiento del conductor.
61
CAPITULO 4
RESULTADOS
4.1. Resultados
Se procede a realizar las pruebas y comparar los resultados con un alcoholímetro AT
6000 a fin de verificar los valores de concentración de alcohol en la sangre del
conductor. Para ello se considera las siguientes condiciones:
Temperatura ambiental: 24 ºC
Humedad relativa: 85%HR
Hora de prueba: 21:00 Horas
Fecha de prueba:20 de noviembre 2016
Grado de concentración de OH de bebidas: Ron Cartavio, 40% OH
Edad de conductor: 33 años
Peso del conductor: 85Kg
Tiempo se exhalación: 10 s
62
a) Prueba de alcoholemia en vehículo, con sensores de humedad relativa y
temperatura expuesto en el interior de la cabina.
Fuente. Elaboración propia
Fuente: Elaboración propia
PRUEBA
ALCOHOLÍMETRO
IMPLEMENTADO
% BAC
ALCOHOLÍMETRO
AT 6000
% BAC
DESVIACIÓN
ABS[]
1 0 0 0.0%
2 0.24 0.14 71.4%
3 0.3 0.19 57.9%
4 0.12 0.19 36.8%
5 0.4 0.26 53.8%
6 0.42 0.29 44.8%
7 0.42 0.33 27.3%
8 0.45 0.39 15.4%
9 0.52 0.49 6.1%
10 0.48 0.49 18.6%
33.2%PROMEDIO DESVIACIÓN []
Tabla 8: Prueba con sensores de temperatura y humedad expuestos en la cabina
Figura 52: Comparación de pruebas con alcoholímetro AT6000
63
b) Prueba de alcoholemia en vehículo, con sensor de humedad relativa en el interior
de caja modular implementada para el circuito y sensor de temperatura expuesto
en el interior de la cabina.
Tabla 9: Prueba con sensor de temperatura expuesto en la cabina
Fuente: Elaboración propia
c) Prueba de alcoholemia en vehículo, con sensor de humedad relativa y temperatura
en el interior de caja modular implementada para el circuito.
Tabla 10: Prueba con sensores de temperatura y humedad en interior de caja modular
Fuente: Elaboración propia
PRUEBA
ALCOHOLÍMETRO
IMPLEMENTADO
% BAC
ALCOHOLÍMETRO
AT 6000
% BAC
DESVIACIÓN
ABS[]
1 0 0 0.0%
2 0.24 0.18 33.3%
3 0.18 0.15 20.0%
4 0.14 0.18 22.2%
5 0.16 0.17 5.9%
6 0.27 0.24 12.5%
7 0.31 0.35 11.4%
8 0.45 0.43 4.7%
9 0.51 0.43 18.6%
10 0.48 0.42 14.3%
14.3%PROMEDIO DESVIACIÓN []
PRUEBA
ALCOHOLÍMETRO
IMPLEMENTADO
% BAC
ALCOHOLÍMETRO
AT 6000
% BAC
DESVIACIÓN
ABS[ ]
1 0 0 0.0%
2 0.12 0.11 9.1%
3 0.11 0.12 8.3%
4 0.16 0.17 5.9%
5 0.22 0.21 4.8%
6 0.21 0.2 5.0%
7 0.35 0.34 2.9%
8 0.41 0.43 4.7%
9 0.44 0.43 2.3%
10 0.51 0.52 1.9%
4.5%PROMEDIO DESVIACIÓN []
64
4.2.- Presupuesto estimado.
Para la ejecución de la implementación del sistema se realizaron gastos en los
siguientes:
Accesorios electrónicos de importación
Accesorios electrónicos nacionales.
Diseño de hardware.
Recolección de datos.
Accesorios de instalación.
Se estima un gasto estimado de S/. 580 durante la ejecución del diseño e
implementación.
65
4.3. Cronograma
A continuación, se presenta el diagrama de Gantt de la investigación
66
CONCLUSIONES
Se implementó el diseño de monitoreo de alcoholemia que permite controlar la
operatividad del vehículo de la empresa Galvanoplastia Yhabal S.A.C, de esta manera se
evita que el conductor maneje en estado de ebriedad.
Se diseñó un sistema electrónico que determina el grado de alcoholemia del conductor
mediante el análisis realizado para elegir un microcontrolador y sensores no invasivos
seleccionados en función a sus características técnicas y costos.
Se desarrolló un sistema de monitoreo de alcoholemia, basado en una lógica de
funcionamiento que monitorea el intento de encender el vehículo o durante la conducción
de la camioneta.
El sistema de monitoreo de alcoholemia evita la suplantación o algún comportamiento
disuasivo del conductor informándole solo el primer testeo realizado, el resto de
mediciones son realizadas sin conocimiento del conductor para mantener la efectividad
del sistema.
Se procedió a integrar el sistema de monitoreo de alcoholemia al circuito de encendido
del vehículo permitiendo controlarlo en función a la condición de monitoreo que energizará
a la bobina de relé de bloqueo del embrague.
El diseño e integración del sistema de monitoreo al circuito eléctrico de encendido de la
camioneta ha brindado resultados satisfactorio, por lo que puede también instalarse en
otros de vehículos de la empresa.
67
Se validó que el conductor no puede reiniciar o manipular el sistema de monitoreo y
control, debido a que se encuentra en un compartimiento plástico asegurado con precintos
codificados para evitar sean reemplazados.
Se comprobó que el sistema controla la operatividad del vehículo de acuerdo al grado de
alcoholemia del conductor, donde para valores menores a 0.5% de alcohol en la sangre,
el vehículo puede ser conducido y para valores mayores 0.5% el vehículo procede a
detenerse.
Se verifica que el sistema de monitoreo registra y almacena el último evento de
alcoholemia mayor a 0.5 % de alcohol en la sangre, permitiendo identificar la hora y fecha
del evento.
Se comprueba de que el sistema de monitoreo y control operativo de alcoholemia, puede
ser fabricado con sensores y microcontroladores de bajo costo, lo cual lo hace atractivo
para su implementación en el transporte público.
68
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