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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIORDE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
PROYECTO FIN DE CARRERA
TÍTULO: ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DE SENSORESAMBIENTALES PARA SU INTEGRACIÓN CON TERMINALESMÓVILES
AUTOR: D. Diego Onofre Artés García
TUTOR: D. Alvaro Araujo Pinto
MIEMBROS DEL TRIBUNAL
PRESIDENTE: D. Alfredo Sanz Hervás
VOCAL: D. Álvaro de Guzmán Fernández González
SECRETARIO: D. Alvaro Araujo Pinto
SUPLENTE: D. Octavio Nieto-Taladriz García
Calificación:
Madrid, de de
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIORDE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
PROYECTO FIN DE CARRERA
ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNDISPOSITIVO DE SENSORES
AMBIENTALES PARA SUINTEGRACIÓN CON TERMINALES
MÓVILES
Diego Onofre Artés García
SEPTIEMBRE 2016
iii
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ResumenETSIT
Departamento de Ingeniería Electrónica
Ingeniero de Telecomunicación
ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DE SENSORESAMBIENTALES PARA SU INTEGRACIÓN CON TERMINALES
MÓVILES
por Diego Onofre Artés García
El medio ambiente juega un papel muy importante todos los días en nuestra saludy bienestar. El aire que respiramos, el agua que bebemos, los niveles de ruido a losque estamos expuestos y el tiempo meteorológico son algunas de sus manifestaciones.Todos afectan directamente en términos de calidad y esperanza de vida, la apariciónde ciertas enfermedades u otros aspectos de nuestra salud personal.
Para comprobar las principales inquietudes sobre el entorno ambiental y corroborarque existe la necesidad de la elaboración de este tipo de proyectos, se realiza una in-vestigación sobre las diferentes características del medio. Del mismo modo se presentauna revisión de los diferentes sistemas, procedimientos y tecnología de captación decalidad del ambiente. Dado que las características del medio son numerosas, se de-cide centrar esfuerzos en el aire como propiedad medioambiental a medir. Por eso,el objetivo fundamental del proyecto es ofrecer a la sociedad un dispositivo capaz denotificar la calidad del ambiente en base a alguna de sus características y además quesea integrable con dispositivos móviles.
Para el diseño del dispositivo se realizan diversas pruebas preliminares. Acto seguidose diseñan los bloques funcionales del sistema que quedan implementados en esque-máticos. Tras el posicionamiento de los componentes elegidos, fabricación y montajedel dispositivo, se procede con las pruebas y la validación de sus propiedades.
Finalmente se obtienen conclusiones sobre el trabajo realizado, se analiza la viabili-dad de integración con dispositivos móviles y se resumen las líneas futuras de trabajoque hayan podido surgir durante el desarrollo del proyecto.
Palabras clave: Calidad del aire, AQI, VOCs, sensores de gas, NO2, O3, CO,PM10, PM2.5, calibración, sensor de temperatura, sensor de humedad, sensores óp-ticos, calidad del agua, partículas en suspensión.
v
AgradecimientosQuisiera agradecer todo el apoyo y cariño recibido a lo largo de todos estos años, yaque tengo la oportunidad de hacerlo en estas líneas. Por ello, esperando no olvidarmencionar a las personas importantes que han hecho esto posible, comenzamos:
En primer lugar, quisiera agradecer a la ETSIT el brindarme la oportunidad depoder cursar durante estos años esta maravillosa carrera. Así como sus departamentos,en particular, el Departamento de Ingeniería Electrónica, que me atrajo desde elprimer momento.
Alvaro, desde que me conoces has confiado en mí, espero corresponderte con mitrabajo y esfuerzo para que te sientas orgulloso de tu voto de confianza. Muchasgracias por tu tiempo y dedicación para que consiga acabar de una vez por todas.Eres muy grande.
ElB105, sois una familia y me habéis acogido como uno más todas las veces que hepodido compartir muy buenos ratos con vosotros, muchas gracias.
Manuel Lambea, te agradezco inmensamente tu entrega y dedicación en las tutoríasde Campos.
Amigos del Colegio Mayor Santa María de Europa, me habéis enseñado mucho, ylo hemos pasado genial. No puedo olvidarme de Arriazu, Villarín, Muelas, Cillero,Balbuena, Victor, José Manuel, y otros tantos. Muchas gracias por los momentosinolvidables que hemos pasado en El Mayor.
Mis amigos y compañeros del trabajo. Mis compañeros de análisis y de la testing,sois lo mejor y es un placer trabajar todos los días con vosotros, ya sé que os habrévuelto locos miles de veces con mis historias, pero lo pasamos bien. Muchas gracias porvuestro apoyo en todo momento. Pablo García, muchas gracias por dedicar tu tiempoy asegurarte de que cumplo con el objetivo de acabar la carrera. Juanjo, gracias portu ayuda.
Durante todos estos años vienen y van compañeros de clase, pero hay algunos quese han quedado, al menos en mi corazón. Almu, Patri, Rafus, Santi, Tomás, Joseee,Álvaro, Andrés, Nacho, Ángel... me habéis soportado todos estos años, eso es mucho,gracias a todos.
Samu, cofundador del núcleo duro, sigue cogiéndome el teléfono a deshoras. Muchasgracias por esas noches de MCRE a muerte y de todos los momentos mágicos deatranque semi friki que hemos compartido juntos. El núcleo duro no se acaba aquí,se mantendrá duro.
vi
Octavio, fiel amigo, estas ahí siempre, siempre. Esas partidas infinitas en el frontón,cuánto apoyo me has dado en esos veranos estudiando a muerte con el calorazo delpueblo. Parte de esto, te corresponde.
Mis compañeros de piso, Pascual, Jesús y Carlos. Somos una familia, y como todose comparte en las familias, esto también es vuestro. Pascu, el tiempo no pasa pornosotros. Jesús, mi verdadero compañero de habitación. Charli, mi seguidor en elcamino del núcleo duro, gracias por tu ayuda estos días. Os quiero a todos y os doylas gracias por vuestro apoyo y cariño.
A mi hermano, Antonio Artés. Te debo gran parte de lo que soy, has tenido siempreen mente que cada cosa que saliera de mis manos tenía que ser inmejorable y haspuesto tu empeño en que sea así. Recuerdo tus frases en los agradecimientos de tuPFC, espero haber correspondido con mi trayectoria no solo académica si no personala que estés orgulloso de mí, que sé que lo estás. Te quiero hermano, sigue ahí siempredándome apoyo para seguir creciendo. Saaaaabie, no me olvido de tí.
A mis padres, Antonio y Encarna. Los que con esfuerzo, sudor y lágrimas han conse-guido que todo esto llegara a buen puerto. Papá, a tu manera, has estado empujandopara que tire hacia delante. Mamá, eres el núcleo de la familia, la que manda, siénteteorgullosa. Ambos sois arquitectos magníficos de lo que soy ahora mismo, gracias porser primero mis amigos y luego mis padres. Os quiero.
Los últimos serán los primeros decían, Ana Mantecón. Muchas gracias por todo elapoyo y el cariño con el que me has obsequiado desde que te conozco. Consigues queafronte con humor los problemas que antes enfrentaba con enfado, por eso y lo demás,gracias.
Buenos señoras y señores, espero no haberme dejado personalidades importantespor nombrar. En cualquier caso, una cerveza y lo arreglamos. Os dejo con mi proyectofinal de carrera, disfrutadlo.
vii
«Si tu única herramienta es un martillo, tiendes a tratar cada problema como si fueraun clavo.»
Abraham Maslow
«No creo que haya alguna emoción más intensa para un inventor que ver alguna desus creaciones funcionando. Esa emoción hace que uno se olvide de comer, de dormir,de todo.»
Nikola Tesla
ix
Índice general
Resumen iii
Agradecimientos v
1. Introducción 11.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Estado del arte 52.1. Conductores del sensado medioambiental . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Barreras a la adopción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3. Parámetros a medir del medio ambiente y métodos empleados . . . . 82.4. Calidad del aire y condiciones atmosféricas . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.1. Medida de la calidad del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4.2. Proyectos para la monitorización del aire . . . . . . . . . . . . 15
2.5. Monitorización UVA/UVB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.6. Monitorización de la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.1. Medidas usando propiedades físicas . . . . . . . . . . . . . . . 192.6.2. Medidas usando propiedades químicas . . . . . . . . . . . . . 192.6.3. Medida de patógenos biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6.4. Medida móvil de la calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7. Otros factores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.8. Directivas de futuro de la monitorización medio ambiental . . . . . . 222.9. Conclusiones al estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3. Elección del aire como propiedad medioambiental a monitorizar 253.1. ¿Por qué el aire? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2. Análisis para la elección de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.2. Coste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.2.3. Noticias sobre contaminación del aire y tecnologías móviles . . 29
3.3. Elección de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.1. Sensores para PMx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.2. Sensores para medir presiones parciales de gases contaminantes 303.3.3. Otros sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4. Definición de las etapas del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4.1. Prueba de concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4.2. Desarrollo del dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
x
3.4.3. Conclusión, análisis y líneas futuras . . . . . . . . . . . . . . . 31
4. Prueba de concepto para la obtención de medidas 334.1. Herramientas utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.2. Funcionamiento de los sensores ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1. SHARP GP2Y1010AU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2.2. SAMYOUNG DSM501A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3. Funcionamiento de los sensores resistivos . . . . . . . . . . . . . . . . 374.4. Pruebas, medidas y validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4.1. SHARP GP2Y1010AU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.4.2. SAMYOUNG DSM501A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4.3. MiCs-2714 para NO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4.4. MiCs-2614 para O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4.5. MiCs-5524 para CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.4.6. Validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5. Desarrollo del dispositivo 435.1. Especificaciones del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.2. Diseño de la arquitectura del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.1. Diseño de bloques del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Gestión de la batería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Clúster de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Microprocesador + ADCs + Memoria . . . . . . . . . . . . . . 45Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Módulo BLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.2. Elección de los componentes para la arquitectura del sistema . 46Circuito cargador de batería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Batería Li-Po . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Amplificador operacional para monitorizar corriente . . . . . . 47Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Expansor de interfaces GPIOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Led RGB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Amplificadores operacionales de bajo ruido . . . . . . . . . . . 48Conversor Analógico-Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Potenciómetro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Módulo BLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Placa interfaz con pantalla, encoder y SD. . . . . . . . . . . . 49Traductor de niveles para SPI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Reguladores lineales a 3.3 [V]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Regulador Boost para interfaz gráfica a 5 [V] . . . . . . . . . . 49Regulador Boost para sensores a 5 [V] . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.3. Diseño de los esquemáticos del dispositivo . . . . . . . . . . . 50Medidor de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Compatibilidad de la placa interfaz con pantalla, encoder y SD 51Sensores de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Potenciómetro ajustable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
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Sensor de temperatura y humedad SHT21 [40] . . . . . . . . . 56Led RGB SMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Conversor de niveles I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Módulo BLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Acondicionamiento de señal y sensado . . . . . . . . . . . . . 57
5.3. Posicionado y rutado de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.3.1. Dimensiones y forma de la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.3.2. Disposición de los módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.3.3. Consideraciones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.3.4. Montaje y soldadura de componentes . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.4.1. Alimentaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.4.2. Batería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.4.3. Buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.4.4. Puesta en marcha del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Pantalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Expansor de interfaces GPIOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Sensor de temperatura y humedad SHT21 . . . . . . . . . . . 64ADC128D818 y red de acondicionamiento . . . . . . . . . . . 64Sensor de partículas PM10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Sensor de partículas PM2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Sensores MiCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Potenciómetro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4.5. Medidas y consumo energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Sensor de partículas PM10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70MiCs-5524 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72MiCs-2714 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72MiCs-2614 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Módulo de pantalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4.6. Validación del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6. Conclusiones y líneas futuras 776.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2. Estudio de viabilidad de la integración con dispositivos móviles . . . . 796.3. Líneas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A. Esquemáticos de Spica 81
Bibliografía 101
xiii
Índice de figuras
2.1. Estación para la medida de la calidad del aire. (Fuente: http://www.latercera.com). 62.2. Media anual de PM10 en ciudades por regiones desde 2003 hasta 2010
(Fuente: OMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3. Niveles globales de ozono medidos por GOME-2 (Fuente: ICSU World
Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere ) . . . . . . . . . 112.4. Resumen de los tipos de sensores mencionados y sus características
(Fuente: IEEExplore [15]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5. Resumen de trabajos anteriores (Fuente: IEEExplore [15]) . . . . . . 152.6. Curva de Eritema para el daño en la piel humana. . . . . . . . . . . . 172.7. Medidor de conductividad en el agua. (Fuente: http://www.omega.com). 19
3.1. (Izq.) MiCs sensor. (Cen.) SGX Electroquímico de SO2. (Der.) TGSde Figaro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2. Comparativa de precios extraída de [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3. Captura de la página web http://aqicn.org/home . . . . . . . . . . 293.4. Imagen de la contaminación en Madrid (Fuente: El-País) . . . . . . . 30
4.1. Placa de prototipado BQ ZUM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.2. Placa de apoyo de SGX Sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3. Placa para medir corriente, basada en LM324AN. . . . . . . . . . . . 344.4. Curva de calibración del medidor de corriente . . . . . . . . . . . . . 354.5. SHARP GP2Y1010AU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.6. Esquema interno del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.7. Respuesta esperada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.8. Sensor MiCs insertado en el socket. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.9. Respuesta en tensión del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.10. Respuesta de consumo del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.11. SAMYOUNG DSM501A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.12. Respuesta del sensor durante 30 segundos. . . . . . . . . . . . . . . . 404.13. Respuesta del sensor durante 40 segundos. . . . . . . . . . . . . . . . 404.14. Respuesta del sensor durante 60 segundos. . . . . . . . . . . . . . . . 414.15. Uno de los montajes para hacer pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1. Diagrama de bloques de la arquitectura del sistema a implementar. . 445.2. Módulo BT de Raytac basado en el NRF51822 de Nordic Semi. . . . 495.3. Efecto de la resistencia de carga sobre la respuesta del sensor a un
evento de exposición al gas objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.4. Circuito de medida propuesto en la nota de aplicación de SGX. . . . 535.5. Circuito para precalentamiento del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . 54
xiv
5.6. Resultado de la simulación del circuito de la figura 5.5. . . . . . . . . 555.7. Idea del circuito propuesto en la nota de aplicación para maximizar la
sensibilidad del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.8. Parte frontal de la PCB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.9. Parte trasera de la PCB. Nota: El nombre del dispositivo recibe el
nombre de Spica (Estrella más brillante de la constelación de Virgo) . 595.10. Disposición de los módulos en el diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . 605.11. Horno de soldadura durante el proceso de calentamiento y soldadura. 615.12. Captura de osciloscopio con la que se midió la impedancia de entrada
del ADC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.13. Puntos obtenidos de la gráfica de la hoja de especificaciones del MiCs-
5524. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.14. Ajuste realizado sobre los puntos obtenidos para MiCs-5524. . . . . . 675.15. Puntos obtenidos de la gráfica de la hoja de especificaciones del MiCs-
2714. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.16. Ajuste realizado sobre los puntos obtenidos para MiCs-2714. . . . . . 685.17. Puntos obtenidos de la gráfica de la hoja de especificaciones del MiCs-
2614. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.18. Ajuste realizado sobre los puntos obtenidos para MiCs-2614. . . . . . 695.19. Respuesta del sensor a la excitación del led de entrada. . . . . . . . . 715.20. Tensión de alimentación del led durante varias medidas. . . . . . . . . 715.21. Dos ciclos de medida del sensor, se puede apreciar que cada ciclo de
medida dura 1.11s y que se realizan 10 muestreos para una medida. . 715.22. Tensión en la parte baja de la resistencia de calentamiento del sensor. 725.23. Respuesta del sensor a un ciclo de medida. . . . . . . . . . . . . . . . 725.24. Tensión en la parte baja de la resistencia de calentamiento del sensor. 735.25. Respuesta del sensor a un ciclo de medida. . . . . . . . . . . . . . . . 735.26. Tensión en la parte baja de la resistencia de calentamiento del sensor. 745.27. Respuesta del sensor a un ciclo de medida. . . . . . . . . . . . . . . . 745.28. Gráfica de consumo del módulo de pantalla, se pueden apreciar los
refrescos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.29. Visión delantera del montaje del dispositivo con pantalla. . . . . . . . 765.30. Visión trasera del montaje del dispositivo sin pantalla. . . . . . . . . 76
xv
Índice de tablas
2.1. Niveles de AQI y su expresión como nivel de calidad del aire. . . . . . 112.2. Métodos usados en los analizadores automáticos. . . . . . . . . . . . . 122.3. Análisis de la calidad del agua basándose en sensores de propiedades
físicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
xvii
Lista de acrónimos
ADC Analog-to-Digital ConverterApps AplicacionesAQI Air Quality IndexBLE Bluetooth Low EnergyBT BluetoothCO Monóxido de carbonoDIY Do It YourselfEPA Environmental Protection AgencyEPOC Enfermedad Pulmonar Obstructiva CrónicaFW FirmwareGPIO General Port Input OutputGPS Global Positioning SystemHW HardwareIPR Ingress Protection RatingLCD Liquid Crystal DisplayLi-Po Lithium Polymer BatteryM2M Machine to MachineMEMS MicroElectroMechanical SystemsMOS Metal-Oxide SemiconductorNO2 Dióxido de NitrógenoO3 OzonoOMS Organización Mundial de la SaludORP Oxidation Reduction PotentialPCB Printed Circuit BoardPM Particulate MatterPWM Pulse Width ModulationSMS Short Message ServiceSO2 Dióxido de AzufreSOC System On ChipSW SoftwareTIC Tecnologías de la Información y la ComunicaciónUNE Una Norma EspañolaUSB Universal Serial BusUV UltravioletaVOCS Compuesto Orgánicos VolátilesWSN Wireless Sensor Network
xix
A mi familia y a todos los que me apoyan a diario. . .
1
Capítulo 1
Introducción
1.1. MotivaciónEl medio ambiente juega un papel fundamental todos los días en nuestra salud y
bienestar. El aire que respiramos, el agua que bebemos, los niveles de ruido a losque estamos expuestos y el tiempo meteorológico son algunas de sus manifestaciones.Todos afectan directamente en términos de calidad y esperanza de vida, la apariciónde ciertas enfermedades u otros aspectos de nuestra salud personal.
La mala calidad del aire, por ejemplo, se ha relacionado con la muerte prematura,cáncer y enfermedades respiratorias tales como EPOC. El humo de los cigarrillos, nosolo para los fumadores sino para los fumadores pasivos, provoca además disminuciónde fertilidad. Por otro lado, la industrialización global, las grandes ciudades, los mediosde transporte, la agricultura y la producción energética están ejerciendo una enormepresión sobre el medio ambiente.
La monitorización ambiental se centra principalmente en la identificación y medi-ción de contaminantes químicos, biológicos, microbiológicos y radiológicos en el agua,suelo y aire. Existen otros factores que entran en juego como la temperatura, la hu-medad y los niveles de ruido. Durante décadas, la monitorización se ha realizadomediante la exposición de muestras “in-situ”, que posteriormente se han analizado enlaboratorio. Aunque muy preciso, esta forma de actuar es costosa, lenta y no escala-ble. Desde un punto de vista regulatorio ha habido un interés significativo en el uso detecnologías de detección distintas que permitan “acercar” el laboratorio al punto deinterés. Se han logrado algunos éxitos como en el muestreo de la calidad del aire. Sinembargo, los sensores cuestan decenas de miles de euros, lo que limita su capacidadde ampliación y restringe su uso a un pequeño número de sitios estáticos dentro deun área determinada.
Debido a la necesidad de mejorar, ser asequible y escalable, el uso de sensoresinalámbricos de bajo coste para aplicaciones de monitorización ambiental está co-brando un especial interés tanto de carácter regulatorio como no regulatorio. Laspersonas son más conscientes de su entorno ambiental y se interesan más por podercuantificar la calidad del ambiente en el que se encuentran. Sumado a la naturalezaubicua de los smartphones y tablets, dicha consciencia está provocando el desarrollo
2 Capítulo 1. Introducción
y la aparición de aplicaciones en las que es el usuario el que se convierte en un sensormóvil de su entorno.
En general, se puede clasificar la monitorización en aplicaciones de interior y apli-caciones de exterior. Las aplicaciones de interior se centran más en: temperatura,humedad, niveles de luz, calidad del aire y ruido. Mientras que las aplicaciones de ex-terior involucran una variedad más amplia, contaminación del aire, calidad del agua,ruido provocado por medios de transporte, el tiempo, eventos geológicos y aplicacionesrelacionadas con el sector primario.
Consciente de esta realidad, este proyecto se centra en la parte en la que el usuariopasa a ser un sensor móvil del entorno en el que se encuentra. Para ello, se busca el usode tecnologías que no supongan un coste excesivo y que permitan su adoptabilidadpor parte de ciudadanos de a pie. Es por eso que tras un análisis de las metodolo-gías y tecnologías empleadas actualmente para la medida y presentación de dichosresultados, se desarrolla un dispositivo capaz de suplir la necesidad por parte de lasociedad de poder monitorizar de manera individual la calidad del entorno. Dada lagran variedad de parámetros que conforman el medio ambiente, nos centraremos enuno, sobre el que se volcará el desarrollo del proyecto.
1.2. ObjetivosLos objetivos de la realización de este proyecto son los siguientes:
Comprobar las principales inquietudes sobre el entorno ambiental, para corroborarque existe la necesidad de la elaboración de este tipo de proyectos. Así mismo, explorarqué características medibles lo componen.
Realizar una revisión de los diferentes sistemas, procedimientos y tecnología decaptación de calidad del ambiente.
Elegir una característica del medio ambiente para evaluarla en base a mediciones yanálisis, que pueden ser presentados al ciudadano.
Realizar una investigación sobre los sistemas de captura, métodos y tecnologíasactuales para la medida de la propiedad ambiental que se ha elegido medir.
Diseñar un dispositivo portátil que pueda mostrar la calidad del ambiente centrán-dose en la propiedad ambiental elegida.
Obtención de conclusiones sobre el trabajo realizado, análisis sobre la viabilidad deintegración con dispositivos móviles y resumen de las líneas futuras de trabajo quehayan podido surgir durante el desarrollo del proyecto.
1.3. Estructura de la memoria 3
1.3. Estructura de la memoriaBasándonos en los objetivos y en el desarrollo que se ha realizado para conseguir
completar los objetivos, podemos apreciar en la estructura de la memoria, los pasosseguidos.
Capítulo 1: Introducción. Este capítulo nos da una idea contextualizada dela temática del proyecto y además nos muestra la estructura que conforma lamemoria.
Capítulo 2: Estado del arte. Como se ha mencionado, es necesario realizar unestudio del entorno actual en el que se mueve la monitorización del medio am-biente, incluyendo las metodologías y tecnologías que se emplean para la medidade propiedades medioambientales.
Capítulo 3: Elección del aire como propiedad medioambiental a monitorizar. Eneste capítulo se dan las explicaciones pertinentes sobre esta elección y cómo seva a proceder para conseguir reportar la calidad del aire.
Capítulo 4: Prueba de concepto para la obtención de medidas. Antes de sumer-girse en el diseño de un dispositivo final, se realizan varias pruebas y comproba-ciones. Esta etapa de prototipado surge con la idea de poder afrontar el diseñocon unos conocimientos adquiridos, que permitan dotar al dispositivo de todaslas propiedades necesarias y facilitar su diseño.
Capítulo 5: Desarrollo del dispositivo. En este capítulo se detalla el diseño,implementación y pruebas del dispositivo desarrollado. En las etapas del desa-rrollo se han tomado como referencia las perspectivas HW y SW para dar almismo tiempo la visión completa de la medida, desde la transducción hasta lapresentación.
Capítulo 6: Conclusiones. Estudio de viabilidad de la integración con dispositi-vos móviles. Líneas futuras.
5
Capítulo 2
Estado del arte
En este capítulo vamos a presentar cuáles son los procedimientos y tecnologías quese utilizan actualmente para reportar la calidad del medio ambiente. Para ello seha hecho una labor de búsqueda de información y síntesis con el objetivo de poderclasificar en áreas el estudio de la calidad del medio ambiente. Con ello podremosdeterminar en cada caso las propiedades más importantes que lo caracterizan.
2.1. Conductores del sensado medioambientalExisten una serie de factores influyentes de tipo técnico, sociales y económicos que
están influyendo en el crecimiento del interés por las aplicaciones de sensores parala monitorización del medio ambiente. El coste de los sensores está disminuyendo ysu precisión aumentando, por lo que las plataformas “in-situ” gozan de una mayorviabilidad. Además, la variedad en sus formas permite que existan nuevas métodospara muestrear la información que serían prohibitivas con los medios tradicionales.
Coste – Las soluciones actuales para la monitorización del medio ambiente utilizaninstrumentación con un coste elevado ya sea “in-situ” o en laboratorio. Técnicas demedida como la cromatografía de gases, son precisos y con una sensibilidad adecuada,pero los precios se encuentran desde los miles a decenas de miles de euros. Por otrolado, existen otras soluciones basadas en semiconductores, técnicas ópticas y electro-químicas que permiten realizar medidas por cientos de euros. Esto hace que aparezcanen el mercado desarrollos como AirQualityEgg [1], que presenta precios entre $100 y$200. Por otro lado, el impacto que tiene la contaminación ambiental del aire sobrela salud, por ejemplo, tiene un coste económico a nivel de país, como se demuestra en[2].
Dispositivos móviles. Smartphones – La adopción generalizada de los teléfonosinteligentes está proporcionando tanto una plataforma ambiental de bajo coste, comoen algunos casos, una solución final. Por ejemplo, las aplicaciones que hacen segui-miento de ruido ambiental, pueden utilizar el micrófono integrado en los teléfonos. Lafuncionalidad GPS, o la geolocalización por datos, hace posible la situación de medi-das, y su compartición mediante el uso de e-mail, SMS o Apps. El smartphone ofreceuna interfaz común para el procesamiento de los datos, por tanto, da igual la maneray forma en la que se obtienen las medidas mediante el uso de sensores inalámbricos,
6 Capítulo 2. Estado del arte
al final, al pasar por el dispositivo móvil los datos quedan condicionados a una pla-taforma común, estando disponible para entornos profesionales o entornos centradosen los ciudadanos.
Medición por parte del ciudadano – A medida que crece la disponibilidad delos sensores y son más asequibles, el interés de los individuos por su entorno crecerá.La participación activa en la generación y consumo de datos ambientales hace quela sociedad modifique su comportamiento y su nivel de compromiso dada su previainvolucración. Pudiendo tener acceso a esta información, las personas empezarán apreocuparse por los niveles de contaminación a la hora de realizar actividades al airelibre en grandes ciudades o tendrán más cuidado con la exposición de personas mássensibles a entornos no propicios, como pueden ser bebés, niños pequeños y personasmayores. Las TIC facilitan el intercambio de información entre usuarios que buscanrelaciones causa efecto entre la salud y el medio ambiente.
Sensado medioambiental, tecnologías de red y comunicaciones móviles –Muchos sensores ambientales tienen capacidades inalámbricas que van desde Zigbeede baja potencia a redes Wi-Fi o 3G/4G. Los nodos basados en Zigbee pueden cubrirgrandes áreas y los nodos basados en Wi-Fi cientos de metros, esto permite que lossensores se puedan desplegar sobre áreas geográficas considerables. Esto sumado ala madurez y uso de las tecnologías basadas en WSN en combinación con el uso delprotocolo IPv6, hace posible la realización del paradigma del Internet de las cosas(IoT) [3].
Figura 2.1: Estación para la medida de la calidad del aire.(Fuente: http://www.latercera.com).
2.2. Barreras a la adopción 7
2.2. Barreras a la adopciónA pesar del potencial de la monitorización basada en sensores, existen barreras
tanto desde el punto de vista regulatorio como del ciudadano, que tienen que sersuperadas para que la adopción sea realmente posible. Entre las que existen, vamosa mencionar de manera breve a continuación algunas de ellas:
Consumo energético – El consumo energético sigue siendo una restricción ope-rativa, en particular, para aplicaciones remotas desplegadas en las que no es posibleproporcionar acceso a la red eléctrica. Existen opciones de recolección energética(energía solar), pero su implementación podría ser más cara que el propio sensor. Losavances en la tecnología de las baterías y técnicas de recolección energética consiguenobtener mayor energía disponible, pero el cuello de botella se encuentra en el consu-mo. En este punto es donde aparecen las WSN cognitivas, que optimizan los ciclosde trabajo y selección de frecuencias para un uso eficiente de la batería y el espectroradio usado para la comunicación.
Robustez y coste – Muchas aplicaciones ambientales exponen los sensores a con-diciones duras. En primer lugar los sensores y por otro lado las baterías y toda laelectrónica a bordo necesitan protegerse de la lluvia, hielo, polvo y otras fuentes con-taminantes. Para ello se utilizan recintos o empaquetados clasificados por un IPR, elcoste de esta protección se suma al total del nodo. Por otra parte, la capacidad deproducir a bajo coste, con sensibilidad adecuada y buena fiabilidad, sigue siendo unreto. Pero la proliferación de teléfonos inteligentes puede proporcionar una plataformade coste cero para la adquisición, procesamiento, presentación y archivado de datosde los sensores, lo que simplifica en gran medida los requisitos del nodo sensor [4].
Limitaciones tecnológicas – Las capacidades y sensibilidades de los sensores debajo coste siguen siendo algo limitadas. Actualmente, la monitorización del medioambiente, por lo general, utiliza tipos de sensores de rango restringido, como los detemperatura, luz, humedad y presión atmosférica, es decir, lo que se podría encontraren una estación meteorológica de aficionado. Aunque los sensores basados en semi-conductores, materiales electroquímicos y medidores de partículas (PM) de bajo costeestén disponibles, su sensibilidad y precisión son a menudo inferiores a las técnicasinstrumentales actuales [5];[6]. Se hace necesario el uso de protocolos de calibracióncuidadosos y continuos para mejorar el rendimiento de algunos sensores, pero aúnno se ha logrado un progreso significativo. El uso de sensores para detectar la con-taminación bacteriana en el agua, es una de las muchas áreas de investigación activa[7]. Sin embargo, la disponibilidad de tecnologías de sensores comerciales sigue siendomuy limitada. Es probable que en unos años sea posible la detección “in-situ” de lacontaminación bacteriana para aplicaciones del mundo real.
Preocupación sobre la seguridad – La seguridad en los sensores para aplicacio-nes institucionales sigue siendo un motivo de preocupación. Los datos que identificanproblemas para la salud pública se suelen revisar por empleados públicos, ya que el
8 Capítulo 2. Estado del arte
impacto social y económico de la mala presentación de los datos puede ser alto. Eluso de sistemas de bajo coste limita la capacidad para incorporar medios de seguridadpara la protección de los datos. Pero en los últimos años, están emergiendo SoCs concapacidades M2M con HW y SW capaces de ofrecer protocolos de seguridad, siendouna solución a medio plazo.
Usabilidad y escalabilidad – La facilidad de uso de sensores y su software dedesarrollo puede ser un reto, sobre todo para el usuario aficionado que los comprafuera de plataforma. El desarrollo de firmware permanece fuera de la capacidad téc-nica de la mayoría de los usuarios potenciales. Por tanto, es importante que ambossensores discretos e inalámbricas sean más fáciles de instalar, mantener y entender.Idealmente, los sensores deben evolucionar hacia una operativa plug&play. Y tienenque ser fácilmente detectables por smartphones, con aplicaciones de apoyo muy intui-tivas y sencillas que permitan conectividad a servicios en la nube para compartir yanalizar.
Calidad de los datos y propiedad – A medida que la disponibilidad y el desplie-gue de los sensores aumente, la granularidad y la omnipresencia de la monitorizaciónaumentarán. El aumento de datos que se producirá en ese instante, lo más proba-ble es que genere discusión y debate. Entre las principales cuestiones que surgirán,tendremos que tener especial cuidado en contestar a las siguientes:
¿De dónde han salido los datos?
¿Cómo se deben interpretar?
¿Cómo se asegura la calidad de los datos?
¿Los datos recogidos de internet o de comunidades de ciudadanos tendrán unsignificado estadístico apropiado?
Los debates se centrarán en la validez y el significado de los datos y las posiblesacciones a tomar para mejorar la salud y el bienestar de los ciudadanos.
2.3. Parámetros a medir del medio ambiente y mé-todos empleados
La monitorización ambiental se centra en la detección y medición de las concen-traciones de contaminantes, y discernir cuando los contaminantes dejan de constituirun riesgo para la salud pública. Tomando como partida dos medios básicos como elaire y el agua se analizan las propiedades químicas, físicas, radiológicas y biológicas.Por otro lado, tenemos como integrantes del entorno el ruido, los niveles de radiaciónsolar y las condiciones del entorno urbano. A modo resumen, tenemos que la calidaddel entorno se puede expresar en términos de:
Calidad del aire
2.4. Calidad del aire y condiciones atmosféricas 9
Calidad del agua
Calidad acústica
Radiación recibida
2.4. Calidad del aire y condiciones atmosféricasLa calidad del aire aparece frecuentemente en los medios de comunicación en rela-
ción con temas tales como la quema de combustibles, su efecto sobre zonas urbanas,el aumento de la cantidad de automóviles, la agricultura intensiva y la contamina-ción industrial. La actividad humana está teniendo un impacto en diversas zonas delplaneta, visibles algunas de ellas en forma de niebla fotoquímica, donde se puedenencontrar contaminantes como óxidos y dióxidos de nitrógeno, compuestos orgánicosvolátiles, ozono y aldehídos. El esmog es un problema a nivel mundial que afecta agrandes ciudades. Como podemos ver en la figura 2.2, los niveles de PM10 (partículascon un diámetro igual o menor a 10 µm) en las ciudades por regiones desde 2003 a2010 en muchos casos supera los límites de seguridad.
Figura 2.2: Media anual de PM10 en ciudades por regiones desde2003 hasta 2010 (Fuente: OMS)
10 Capítulo 2. Estado del arte
La calidad del aire y sus componentes son generalmente definidos por la legislaciónnacional, como la “Clean Air Act” en los EE.UU, y en Europa por la legislaciónde la UE, como la “Ambient Air Quality and Cleaner Air for Europe (CAFE)”. Lalegislación define tanto los parámetros de interés y sus límites, como la manera en laque deben ser evaluados y gestionados por agencias nacionales. El proceso de medidaentraña la obtención de una gran variedad de parámetros a diferentes niveles desensibilidad en diferentes intervalos de tiempo. Esto provoca que para el público sehaga difícil consumir e interpretar los datos generados por las estaciones de medida.Para solucionar este problema, aparece el AQI diseñado por la EPA, que se basa enla puntuación de la calidad del aire en un intervalo de valores numéricos [8]. Losvalores de los contaminantes se encuentran normalizados a la misma escala según laconsideración del daño que ejerce sobre la salud. Es decir, la calidad del aire se expresacon un solo número. Ese número representa el valor más alto de AQI reportado poruno de los seis parámetros medidos del aire, y este a su vez se expresa de manerasencilla para el usuario. Los seis parámetros medidos son:
SO2
NO2
O3
CO
PM10
PM2,5
En la tabla 2.3 podemos ver de manera resumida los niveles a los que se hace referenciadesde el órgano de la EPA [9].
Las medidas de las concentraciones de estos contaminantes en la tierra, no solo serealizan con sensores que tenemos montados en estaciones de medida en la tierra, sinoque existen investigaciones ([10] y [11]) en las que se está utilizando el procesado deimágenes de satélites.
Los científicos están cada vez más interesados en combinar las medidas desde satélitede PM2,5 con medidas realizadas en la tierra para obtener medidas de manera global.Por otro lado, también se utilizan los satélites para medir el ozono y las temperaturasen base a la radiación de la luz.
2.4. Calidad del aire y condiciones atmosféricas 11
Air Quality Index(AQI)
Niveles de preocupa-ción sobre la salud
Definición
0 - 50 Buena La calidad del aire es satisfactoria51 - 100 Moderada Las personas extraordinariamente sensitivas deben
considerar limitar los esfuerzos prolongados al airelibre.
101 - 150 No saludable paragrupos de riesgo
Los niños y adultos activos, y las personas con en-fermedades respiratorias, tales como el asma, debenlimitar los esfuerzos prolongados al aire libre.
151 - 200 Dañino Los niños y adultos activos, y las personas con en-fermedades respiratorias, tales como el asma, debenevitar el esfuerzo prolongado al aire libre; todos losdemás, especialmente los niños, deben limitar el es-fuerzo prolongado al aire libre.
201 - 300 Muy dañino Los niños y adultos activos, y las personas con enfer-medades respiratorias tales como el asma, deben evi-tar cualquier esfuerzo al aire libre; todos los demás,especialmente los niños, deben limitar los esfuerzosal aire libre.
301 - 500 Peligroso Todo el mundo debería de evitar la exposición a estosniveles de contaminación.
Tabla 2.1: Niveles de AQI y su expresión como nivel de calidad delaire.
Figura 2.3: Niveles globales de ozono medidos por GOME-2 (Fuente:ICSU World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere )
12 Capítulo 2. Estado del arte
2.4.1. Medida de la calidad del aire
Vamos a ver qué tecnologías se usan actualmente en los analizadores automáticosque se encuentran repartidos por algunas ciudades. Los analizadores automáticosaprovechan las propiedades físicas y/o químicas de un contaminante gaseoso paradeterminar su concentración (Adaptado de US-EPA, 2008). Los métodos actualmenteutilizados por los analizadores automáticos de gases contaminantes se presentan enla tabla 2.2.
Contaminante Método de medición Tipo de métodoOzono O3 Fotometría Ultravioleta (UV) EquivalenteMonóxido de carbono CO Fotometría infrarroja (IR) de filtro de corre-
lación de gasEquivalente
Dióxido de nitrógeno NO2 Quimiluminiscencia en fase gaseosa ReferenciaDióxido de azufre SO2 Fluorescencia pulsante Equivalente
Tabla 2.2: Métodos usados en los analizadores automáticos.
Todos los analizadores automáticos cuentan con tres sistemas internos e interde-pendientes, [12] nos ofrece de manera resumida cómo son estos analizadores. Además,podemos encontrar en [13] una explicación de las metodologías introducidas másabajo. En cuanto a las normas que rigen cómo se deben de realizar y presentar lasmedidas, podemos encontrar en [14] una tabla donde se recogen los métodos y sucorrespondiente norma UNE. Un analizador automático está compuesto en generalpor los siguientes sistemas:
El sistema electrónico contiene el software de operación, controla el funciona-miento del analizador y realiza automáticamente los cálculos para el reporte delos resultados.
El sistema neumático consta principalmente de la bomba de succión y de lasconexiones y tuberías por donde circula la muestra de gas.
El sistema óptico es donde se aplica el método de medición del analizador,mediante procesos físicos y/o químicos, dependiendo del gas a analizar.
A continuación, comentamos cuáles son los contaminantes objetivo de las medi-das y cuáles son los métodos que se utilizan para conseguir detectar y obtener lasconcentraciones de contaminantes.
Analizador de O3 (Fotometría UV) – El principio de operación que utilizan losanalizadores de ozono, O3, se conoce como el método de fotometría UV y consiste enmedir la cantidad de luz ultravioleta, a una longitud de onda de 254 nm, absorbidapor el ozono presente en una muestra. El principio de operación se basa en la Ley deBeer-Lambert. Cuando la muestra pasa por el interior de las celdas, la molécula deozono absorbe una cantidad de luz, la cual se compara con la cantidad de luz medidaen la celda de referencia para calcular la concentración . La concentración obtenidase corrige a condiciones de temperatura y presión.
2.4. Calidad del aire y condiciones atmosféricas 13
Analizador de CO (Fotometría Infrarroja IR) – Los analizadores de Monóxidode Carbono, CO, se sirven del principio de operación que se basa en la capacidad quetiene este gas para absorber energía en determinadas longitudes de onda. Se midela absorción de luz infrarroja, llevada a cabo por las moléculas de CO en intervalosrelativamente pequeños de longitudes de onda centradas sobre la región de máximaabsorción del contaminante.
Analizador de NOx (Quimiluminiscencia) – La quimiluminiscencia es unatécnica analítica basada en la medición de la cantidad de luz generada por una reacciónquímica. Los analizadores de Óxidos de Nitrógeno NOx, utilizan este principio apartir de la reacción que tiene lugar entre el óxido nítrico (NO) contenido en lamuestra de aire y el ozono (O3) que genera, en exceso, un dispositivo que es partede los componentes del instrumento. La luz emitida se encuentra en el intervalo delinfrarrojo entre 500 y 3000 nm.
Analizador de SO2 (Fluorescencia pulsante) – Los analizadores de Dióxidode Azufre emplean el principio de fluorescencia pulsante que se basa en el hecho deque las moléculas de SO2 absorben radiación ultravioleta (UV) a una longitud deonda en el intervalo de 210-410 nm, entrando en un estado instantáneo de excitaciónpara posteriormente decaer a un estado de energía inferior, emitiendo un pulso de luzfluorescente de una longitud de onda mayor en el intervalo de 240 a 410 nm.
Monitores de partículas – Los monitores de partículas (algunos modelos utili-zan el método de atenuación beta y de micro balanza oscilatoria), al igual que losanalizadores de gases, reportan resultados en tiempo real. Sin embargo, a diferenciade los analizadores de gases, no llevan a cabo un análisis de la muestra, únicamentedeterminan la concentración de partículas aprovechando las propiedades físicas de lasmismas. Estos equipos son utilizados para monitorizar partículas suspendidas en elaire, de diámetros menores a 10 y 2.5 micrómetros. En general se hace pasar airepor unos filtros especiales sobre los que se depositan partículas de cierto tamaño queincrementan la masa del filtro. Previamente, el aire introducido es filtrado para quesólo entren en la zona de medida, partículas del tamaño del rango de interés.
Como hemos podido apreciar, estos procedimientos son propios de un laborato-rio “in-situ”. Como hacíamos referencia en la evolución tecnológica, hay otro tipo desensores como pueden ser los electroquímicos y los basados en semiconductores quesimplifican el tamaño y el procedimiento de la solución para la medida. Claro está,pagando el precio de la pobre calibración frente a los medios de laboratorio. Recien-temente hay muchos estudios en torno al uso de este tipo de sensores. Destaca entreellos el que se elabora en esta referencia [15], donde se puede obtener una revisión delestado del arte de este tipo de sensores en proyectos similares, además de abordar laelaboración de un sistema propio de medida. De manera concreta, podemos apreciarque las tecnologías ópticas son las más fiables y precisas para realizar las medidasy que como vemos en la Figura 2.5 extraída de [15], estas técnicas ya no son las
14 Capítulo 2. Estado del arte
más utilizadas fuera de los laboratorios. Por último, podemos ver entre los tipos desensores mencionados una tabla 2.4 comparativa de sus propiedades.
Figura 2.4: Resumen de los tipos de sensores mencionados y sus ca-racterísticas (Fuente: IEEExplore [15])
Entrarían en juego los sensores electroquímicos y los resistivos. El fundamento deesos sensores es sencillo, un material con propiedades eléctricas mezclado con unmaterial sensible a reacciones químicas o físicas, ahí radica la diferencia entre loselectroquímicos y los semiconductores.
En el caso de los electrolíticos, una reacción química desencadena un cambio en elcomportamiento de las propiedades eléctricas del material, produciendo una variaciónen la señal de salida del sensor. Por otro lado, en el caso de los semiconductores, lareacción es física, desencadenando una variación en la señal de salida.
2.4. Calidad del aire y condiciones atmosféricas 15
Figura 2.5: Resumen de trabajos anteriores (Fuente: IEEExplore [15])
En los siguientes capítulos se detallará cómo funcionan los sensores usados parala obtención de la calidad del aire, concretamente, los que han sido utilizados en eldesarrollo del dispositivo.
2.4.2. Proyectos para la monitorización del aire
Dada la popularidad que están alcanzando plataformas de prototipado en casa comoArduino R© y Raspberry Pi R©. Es posible encontrar una gran cantidad de proyectosrelacionados con la medida de la calidad del aire en el entorno cercano del hogar.Entre los proyectos encontrados, destacamos los siguientes:
Grove - Air Quality Sensor v1.3 http://wiki.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Air_Quality_Sensor_v1.3 (Es una wiki de seeedstudio en la que se puede ver el análisis de un sensor departículas y su puesta en marcha con Arduino.)
Grove - Dust Sensor http://wiki.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Dust_sensor (Similaral anterior, solo que en este caso, con otro sensor.)
16 Capítulo 2. Estado del arte
Air Quality with an inexpensive device http://www.howmuchsnow.com/arduino/airquality/grovedust/ (Proyecto de medida de partículas suspendidas, para hacerlo en casa. Se realizancomparativas con sensores profesionales)
AirPi http://airpi.es/index.php (Proyecto de sensores ambientales utilizando la platafor-ma Raspberry Pi.)
birdi https://www.indiegogo.com/projects/birdi# (Empresa surgida de un proyecto encomunidad sobre la contaminación en los hogares.)
Cubesensros https://cubesensors.com/ (Pequeños sensores con forma de cubo, accesiblesdesde dispositivos móviles que se pueden combinar para tener diferentes medidas.)
Arduino con la familia de sensores MQ http://playground.arduino.cc/Main/MQGasSensors(Figaro posee una familia de sensores llamados MQ-XX que son ampliamente conocidos enlas comunidades de Arduino interesadas en la medida de concentraciones de gases.)
AirQualityEgg http://airqualityegg.wikispaces.com/AirQualityEgg (Es un proyecto anivel mundial para concienciación, se trata de un pequeño huevo que incluye sensores decalidad del aire. La idea es que la gente desde sus casas envíe información de la calidad delaire local para trazar un mapa mundial.)
Air Quality Test Box http://www.instructables.com/id/Air-Quality-Test-Box/ (Un in-tento de caja de sensores similar al anterior, pero menos conseguido.)
CitiSense desarrollado por investigadores de la Universidad de San Diego http://seelab.ucsd.edu/health/overview.shtml (Proyecto para elaboración de estaciones de medida máscercanas al usuario.)
Plataforma Psense [16].
Plataforma Citizen Sensor (proyecto open source para la participación política de los ciuda-danos en las smart cities) [17].
2.5. Monitorización UVA/UVBEs conocido mundialmente el estrecho camino que une la radiación Ultravioleta
con el cáncer de piel. Una exposición excesiva es un problema global por culpa delagotamiento de ozono en la atmósfera y de comportamientos humanos irresponsa-bles. La falta de exposición al sol tiene también implicaciones en la deficiencia devitamina D, bajos niveles de vitamina D se relacionan con riesgo de padecer una grancantidad de enfermedades. Típicamente la radiación Ultravioleta se subdivide en trescomponentes basados en la longitud de onda:
UV-A (315nm y 400nm)
UV-B (280nm y 315nm)
UV-C (200nm y 280nm)
2.5. Monitorización UVA/UVB 17
La radiación UV-C es absorbida por la capa de ozono y, normalmente, no llega a lasuperficie de la tierra. Pero en el hemisferio sur, pueden aparecer agujeros de ozono,esto es un problema. Las curvas de Eritema que muestran longitud de onda UV (nm)frente a la irradiación (W/m2) se utilizan para determinar los niveles de exposiciónUV que pueden dañar la piel humana, como resultado de quemaduras por el sol, comose muestra en la Figura 2.6.
Figura 2.6: Curva de Eritema para el daño en la piel humana.
La radiación Ultravioleta se puede medir de varias maneras, incluyendo instrumen-tos de radiometría, dosímetros personales e incluso instrumentos en satélites como elque vimos anteriormente. Los sensores de los dosímetros se centran generalmente enla medición de la radiación UV-A / B. En su forma más simple, pueden ser parchesadhesivos (dosímetros químicos) que se adhieren a la piel expuesta [18] o pulseras[19]. Los productos a menudo se dirigen a los padres que quieren un método sencillopara controlar la exposición de sus hijos. La forma más común de detección UV-A/ B es el dosímetro electrónico en varias formas, incluyendo relojes de pulsera parauso corporal como el Sunsaver, que se desarrolló como parte del proyecto ICEPURE7PM [20].
Ya hay una gran variedad de aplicaciones para teléfonos inteligentes, que reportanel índice de UV, tales como EPA UV Index, My UV Check, Sun Safe y otros. Losdatos utilizados por las aplicaciones se proporciona generalmente por el Servicio Me-teorológico Nacional local. La conversión de un smartphone en un dosímetro personal
18 Capítulo 2. Estado del arte
UV se ha conseguido con algunos proyectos e iniciativas como Sundroid, que se basaen un sensor fotodiodo UV-A/B llevado externamente en el cuerpo y que se conectaa un teléfono Android a través de Bluetooth. Existen recientes investigaciones queapuntan al uso de la cámara del smartphone para poder realizar estas medidas [21].
2.6. Monitorización de la calidad del aguaLa necesidad de controlar con precisión la calidad del agua sigue creciendo debido
a la cada vez mayor demanda de agua fresca y limpia en todo el mundo. Las grandesciudades, los métodos de agricultura intensiva, el procesamiento de alimentos y másentornos están aumentando la demanda de agua. Mientras tanto, estas y otras activi-dades han dado lugar a incidencias debido al abastecimiento con agua contaminada.Las nuevas fuentes contaminantes que están surgiendo tienen un considerable impac-to negativo en la calidad del agua. Como resultado, hay una necesidad creciente deproporcionar información en tiempo real para complementar el análisis tradicional delaboratorio. Por otra parte, los datos de estas mediciones con sensores deben hacersepúblicos para garantizar la transparencia y para mantener informada a la ciudadaníade manera apropiada.
Hay una gran variedad de sensores que se han venido utilizando para controlar lacalidad del agua. Existen sensores portátiles, de mano, que permiten a los científicosrealizar medidas de campo “in-situ”. Mientras que existen sensores fijos, que se utili-zan en las empresas de servicios públicos de abastecimiento de agua. Algunas de lasprincipales tecnologías utilizadas en aplicaciones de monitorización de la calidad delagua hasta la fecha incluyen electroquímicas [22], biotecnológicas [23], MEMS [24],nanotecnológicas [25] y ópticas [26].
En los últimos años, las tecnologías de sensores y de medición óptica han surgidocomo una alternativa más fiable a los enfoques electroquímicos debido a que operarcon estos métodos es sencillo. Los métodos como la fluorescencia óptica y la absorciónse están adoptando ampliamente en diversas aplicaciones. Existen empresas dedicadasya a la monitorización en tiempo real de la calidad del agua, algunas de ellas son:
YSI Inc. www.ysi.com
Intellitect Water www.intellitect-water.co.uk
Liqum Oy www.liqum.com
Optiqua www.optiqua.com
En los siguientes apartados vamos a resumir, cuáles son las tecnologías empleadaspara determinar la calidad del agua dependiendo de las características que se quieranmonitorizar.
2.6. Monitorización de la calidad del agua 19
2.6.1. Medidas usando propiedades físicas
Característica Descripción SensorTemperatura - La temperatura del agua influye en su densidad, la solubi-
lidad de sus constituyentes, el pH, la conductancia específi-ca, la tasa de reacciones químicas y la actividad biológica.
Termistor
Conductividad - La medida de la capacidad del agua para conducir unacorriente eléctrica. La conductividad es función de la con-centración y los tipos de sólidos disueltos, como metales,inorgánicos y orgánicos.
Electrodo conduc-tivo
Color - El color aparente es el color de una muestra de agua alcompleto, el cual se ve afectado tanto por compuestos di-sueltos como por compuestos en suspensión. El color ver-dadero se obtiene filtrando el agua para eliminar todo elmaterial en suspensión.
Óptico (Coloríme-tro)
Turbiedad - La turbiedad es cómo de oscura está una muestra de agua,causada por partículas en suspensión o impurezas que pue-den incluir barro, cieno, materia vegetal, compuestos orgá-nicos solubles con color, algas y microorganismos.
Óptico (Nefelóme-tro, Método dedispersión de su-perficie)
Tabla 2.3: Análisis de la calidad del agua basándose en sensores depropiedades físicas.
Figura 2.7: Medidor de conductividad en el agua.(Fuente: http://www.omega.com).
2.6.2. Medidas usando propiedades químicas
Oxígeno disuelto
Descripción – Una cantidad adecuada de oxígeno (O2) disuelto es necesariopara una buena calidad del agua. El principal factor que contribuye a los cambiosen los niveles de oxígeno disuelto es la acumulación de desperdicios orgánicos.
20 Capítulo 2. Estado del arte
Sensor – Electroquímicos (Amperímetro, Galvánico, Polarográfico), Gas, Óp-tico (Luminiscencia), Biosensor.
pH
Descripción – El pH en una muestra de agua está relacionado con la concen-tración de iones de hidrógeno. El agua potable tiene un rango de pH de 6.5 a9.5.
Sensor – Electrométricos (Potenciométricos), ISFET, Ópticos (Colorímetro).
Cloro
Descripción – Como las aguas subterráneas se filtran a través de lechos de rocao arena y grava, ésta disuelve distintos minerales y constituyentes, incluyendoel Cloro.
Sensor – Electroquímico (Amperímetros), Óptico (Colorímetro).
ORP
Descripción – El potencial de oxidación (ORP) de una muestra de agua esuna medida clave para saber cómo de bien se está realizando el tratamiento delagua o su proceso de limpieza. Se usa para monitorizar agua potable, piscinasy spas.
Sensor – Electroquímico (Potenciométricos).
Cloro libre
Descripción – El cloro libre se forma en la reacción de gas de cloro con agua.Esta molécula y sus iones son esenciales para asegurar que el agua es potable.
Sensor – Electroquímico (Polarográficos, Amperimétricos), Ópticos (Coloríme-tro).
Metales pesados
Descripción – Los metales pesados comunes como el cadmio (Cd), cobre (Cu),mercurio (Hg), y el plomo (Pb), en el agua están relacionados con multitud deriesgos para la salud incluyendo reducción del crecimiento y desarrollo, cáncer,daños en los órganos, en el sistema nervioso y en casos extremos, la muerte.
Sensor – Electroquímico (ISE, ISFET), Ópticos (Fotoluminiscencia, Fluores-cencia).
2.6. Monitorización de la calidad del agua 21
Fosfatos
Descripción – Los fosfatos (PO 3−4 ) se absorben de forma natural por el agua
de los lechos de roca y otros depósitos minerales.
Sensor – Electroquímico (Potenciométricos ISE), Óptico (Colorímetro).
Nitratos
Descripción – Los nitratos (NO−3 ) son un compuesto inorgánico altamente
soluble en agua.
Sensor – Electroquímico (Potenciométricos ISE), Óptico (Absorción UV, Fluo-rescencia).
2.6.3. Medida de patógenos biológicos
Algas verde azuladas (cianobacterias)
Descripción – Las cianobacterias son bacterias que tienen el potencial de cau-sar problemas de salud en humanos y animales.
Sensor – Óptico (fluorescencia).
Clorofila
Descripción – La clorofila es producida por el fitoplancton. No tiene un im-pacto negativo en la salud humana y se ha informado de que en verdad tieneefectos beneficiosos.
Sensor – Óptico (fluorescencia).
Cryptosporidium
Descripción – El Cryptosporidium es un parásito de la familia de los protozoosque causa diarrea severa, conocida como criptosporidiosis.
Sensor – Biosensor (investigación).
Coliformes E. Coli
Descripción – El consumo humano de agua contaminada con E. Coli causanauseas, vómitos, dolor abdominal, diarrea e incluso la muerte en casos severos.E. Coli puede provenir de contaminación por aguas residuales.
Sensor – Biosensor (investigación).
22 Capítulo 2. Estado del arte
2.6.4. Medida móvil de la calidad del agua
Al igual que con muchas otras áreas de detección que hemos comentado, en elárea de la calidad del agua está comenzando a surgir concepciones para móviles. Lossmartphones han comenzado a sustituir a los encargados de recoger los datos de lossensores “in-situ”.
Por ejemplo, tenemos el anuncio de In-Situ Inc. www.in.situ.com anunciando nohace mucho una aplicación para smartphone que permite conectar una sonda de manopara medir oxígeno disuelto mediante métodos ópticos. En relación con este productopodemos encontrar la que ofrece Insta-Link. Insta-Link proporciona una aplicaciónque se puede utilizar para escanear con el teléfono una tira de ensayo de cloro libre,pH, alcalinidad, dureza, y ácido cianúrico para determinar si la calidad del agua enuna piscina o spa es suficientemente buena para fines recreativos humanos [27].
La combinación de sensores y dispositivos móviles para las mediciones de la calidaddel agua, aunque está en las primeras etapas, promete un gran alcance. El poder rea-lizar lecturas discretas de la calidad del agua, junto con la localización geográfica, lainformación temporal y poder compartir esos datos con otros ciudadanos, se puedenutilizar para generar mapas comunitarios de calidad del agua. Los ciudadanos intere-sados podrán poner a prueba su suministro de agua de manera regular y cargar losdatos en una base de datos común.
2.7. Otros factoresRuido ambiental Es este área, el principal interés de la investigación se centra enel estudio de las zonas de ruido en entornos urbanos, usando procedimientos básicoscomo puede ser un micrófono. Es por eso, que existen investigaciones y estudios como[28]. Lo que se persigue es poder realizar estudios sobre las zonas más ruidosas enciudades, de manera que se pueda actuar en consecuencia por el bien de la ciudadanía,en cuanto a salud y bienestar se refiere.
Radiación Tras desastres naturales como el ocurrido en Chernobyl y el más recienteen Fukushima, se ha incrementado la preocupación de la población en diversas zonasdel planeta. No sólo son foco de atención estos eventos relacionados con centralesnucleares, además se conoce la posibilidad de que aparezcan concentraciones de Radónen los hogares, por eso la preocupación de algunos sectores por la radiación.
2.8. Directivas de futuro de la monitorización medioambiental
Se estima que el mercado para la detección y el control medioambiental crecerá enun 6, 5 por ciento por año y se espera que tenga un valor de $15.6B dólares para finalesdel año 2016. Una parte importante de este valor se relaciona con las actividades
2.9. Conclusiones al estado del arte 23
institucionales y regulatorias, pero también habrá un creciente elemento consumidor.Los sensores y las aplicaciones que funcionan en entorno a los ciudadanos seguiránevolucionando. Estas tecnologías permitirán nuevos casos de uso, la disponibilidad denuevos conocimientos sobre el medio ambiente que nos rodea y cómo afecta a nuestrasalud y bienestar.
La primera oleada de estos productos ya ha alcanzado el mercado de consumo. Elhecho de que los lotes iniciales de algunos productos se hayan agotado, por ejemplo,CubeSensors [28], ilustra un apetito público por la información suministrada por estossistemas.
2.9. Conclusiones al estado del arteLa preocupación por el medio ambiente esta siendo cada vez más el centro de
atención de la sociedad y de la investigación científica en el siglo XXI. Como se puedeapreciar, son muchos los esfuerzos de la comunidad científica y la sociedad para poderllegar a controlar las variables del medio ambiente de manera local. A grandes rasgos,los avances hacia ese objetivo se encuentran más cerca en la monitorización del aireque en la monitorización del agua.
Con la aparición de nuevas tecnologías, más pequeñas, baratas y sencillas de utilizar,surgen ideas entre las comunidades involucradas para el desarrollo de dispositivos quepuedan estar al alcance del ciudadano. Gracias al apoyo indiscutible de Internet, secrean redes sociales en las que se comparte información y crece la curiosidad por podermonitorizar el entorno en el que vivimos.
Como hemos podido apreciar en este capítulo, el medio ambiente posee unas carac-terísticas que podemos medir y evaluar con el objetivo de cuantificar la calidad delentorno. Son muchas y muy variadas por lo que se considera indispensable para larealización del proyecto, centrarse en una sola característica. De este modo, se puedenabordar en profundidad las soluciones tecnológicas disponibles y poder desarrollar undispositivo que cumpla con unas especificaciones concretras.
25
Capítulo 3
Elección del aire como propiedadmedioambiental a monitorizar
En este capítulo, vamos a explicar por qué elegimos el aire como propiedad delmedio ambiente para monitorizar y además enumeramos los sensores elegidos paratal fin.
3.1. ¿Por qué el aire?Apoyándonos en los conocimientos adquiridos durante la etapa de documentación
del proyecto, llega el momento de tomar decisiones sobre cómo abordar la implemen-tación de una solución para reportar la calidad del ambiente. Es por eso, por lo queteniendo en cuenta las características del medio ambiente, llegamos a la conclusión deque la mejor opción para el desarrollo del proyecto sea mostrar la calidad del aire delentorno. A continuación, vemos los razonamientos que nos han llevado a esta decisión.
De entre los medios que hemos observado en el medio ambiente, desde un puntode vista de integración con dispositivos móviles, el más sencillo e intuitivo sería lacontaminación acústica. Ya que todos los smartphones poseen un micrófono con el quegrabar los sonidos del ambiente mientras el usuario no está utilizando el dispositivo.Dado que esta tecnología no muestra muchos avances, y en la actualidad el puntofuerte de la investigación está en software y gestión de los datos, descartamos estacaracterística.
En cuanto a las tecnologías relacionadas con la contaminación por radiación tantosolar como nuclear, no suscitan interés para este proyecto por varias razones.
En primer lugar, la radiación solar está controlada por soluciones que pueden ad-quirir los usuarios a bajo coste y que realizan su función de manera inmejorable. Unejemplo de ello son las pegatinas o pulseras solares [29]. Es cierto, que los dispositivosmóviles disponen de sensores capaces de captar la potencia lumínica, utilizando paraello el sensor de luz y la cámara. Pero tenemos que tener en cuenta que, si se quiererealizar un seguimiento en tiempo real de la radiación solar, el dispositivo debe estarexpuesto durante intervalos de tiempo a la luz del sol en caso de querer utilizar los
26 Capítulo 3. Elección del aire como propiedad medioambiental a monitorizar
sensores internos. Esto último es inviable y peligroso, ya que los dispositivos móvilesde hoy en día suelen estar fabricados incluyendo baterías de alta densidad energética.
Esto limita las condiciones de exposición del dispositivo a altas temperaturas. Porlo que si unimos eso, al hecho de que la mayor preocupación de la sociedad por elsol se produce en las épocas de mayor calor y horas de sol, no es una buena ideautilizar los dispositivos móviles para tal fin. Sí es cierto, que se podrían utilizar pla-taformas externas sobre las que tomar fotografías o poder medir de manera indirectala radiación solar, pero para eso, ya tenemos una solución sencilla como hemos visto.
En segundo lugar, la radiación nuclear es algo que preocupa a poca gente en com-paración con el resto de características medioambientales, si no preocupa, al menossuscita menos intervención en la vida cotidiana.
Otro factor de peso en el medio ambiente es el agua. Se descarta reportar la calidaddel agua por estar formada por una numerosa cantidad de propiedades, que debenser examinadas para poder hablar de agua apta o no apta para consumo o para elcontacto humano. Es decir, simplemente para reportar si el agua es salubre, se tienenque reunir una serie de técnicas y tecnologías que necesitarían de un dispositivo muycomplejo y variado, que permita medir tan solo varias de las propiedades que hemosvisto. Hay soluciones intermedias, como las tiras analizables, pero eso solo es aplicablepara un grupo de factores químicos. No olvidemos tampoco, que la electrónica no selleva muy bien con la humedad y el agua, por lo que el diseño de un dispositivopara medir propiedades del agua deberá estar bien aislado y alejado de dispositivosmóviles.
Por último se encuentra el factor social, muy poca gente en sus hogares se va apreocupar por la calidad del agua a nivel de salubridad ya que hay un órgano civil ylegislación encargada de la calidad del agua en los hogares. El uso quedaría relegadoa personas que se encuentren en el medio natural y quisieran evaluar “in-situ” si esposible beber de un arrollo o bañarse en un lago. Por último, en las zonas del planetaen las que realmente existen problemas con la escasez y calidad del agua, no podríanpermitirse en la actualidad, adquirir este tipo de dispositivos [30], sería más razonablela medida de laboratorio.
Nos queda entonces el aire. Principalmente se elige porque las propiedades quedefinen su calidad son seis, y estas seis se pueden medir con procedimientos similares,que permitirían su integración bajo un mismo dispositivo. La claridad y sencillez en lasnormativas sobre calidad del aire hacen atractiva la idea de diseñar un dispositivo quepueda suplir las necesidades de la sociedad en este aspecto. Hay otras razones ademásde las facilidades encontradas en el estado del arte frente a otras características, comoson el coste, la integración, el número de comunidades y foros interesados, y las últimasnoticias de este año sobre contaminación del aire.
3.2. Análisis para la elección de sensores 27
3.2. Análisis para la elección de sensoresUna vez se ha elegido la calidad del aire como parámetro del medio ambiente a
monitorizar, fue necesario documentarse más en profundidad sobre las técnicas exis-tentes, centrándose especialmente en las tecnologías de bajo coste y pequeño tamaño.Sirvió de gran ayuda la documentación de la EPA y los boletines de la UE sobrecalidad del aire [31], para obtener conocimiento sobre los efectos de los gases, lascantidades que hay que medir y cómo se procede.
3.2.1. Estado del arte
En el estudio bibliográfico cabe destacar las siguientes referencias ([15] [32] [33] [34][35] [36] [37] [38] [31]). En ellas encontramos un patrón común, era el uso de sensoreselectroquímicos y los basados en la tecnología MOS para la medida de concentracionesde gas, y el uso de sensores ópticos para la medida de las concentraciones de partículasPMx. Entre los sensores que se solían manejar para la medida de concentraciones degas, fundamentalmente aparecían dos marcas de fabricantes, los desarrollados porFigaro Engineering Inc. y los desarrollados por SGX Europe Sp. z o.o. (del grupoSGX Sensortech). Para los sensores de partículas existían también dos compañías queofrecen dispositivos para la medida, Sharp y Samyoung. Se eligen los sensores de SGXporque aportan una novedad frente a los de Figaro y es su forma. Tienen forma dechip y son bastante más pequeños por lo que la integración en una placa posibilitaríamayor miniaturización del sistema. Podemos verlo en la siguiente imagen.
Figura 3.1: (Izq.) MiCs sensor. (Cen.) SGX Electroquímico de SO2.(Der.) TGS de Figaro
Frente a las técnicas de laboratorio y los sensores electroquímicos, los sensores MOSbasados en película resistiva presentan el inconveniente de tener una gran dependenciade las condiciones ambientales, por lo que ante pequeñas concentraciones del gasobjetivo, las condiciones ambientales pueden hacer que se obtengan medidas erróneas.
28 Capítulo 3. Elección del aire como propiedad medioambiental a monitorizar
Por otro lado, una calibración en laboratorio no serviría de mucho, ya que al cambiarlas condiciones del entorno, dicha calibración no será válida. Sin embargo, presentanbuenos resultados a la hora de realizar medidas comparativas, estando en un mismolugar y en condiciones similares. Es posible en ese caso, calibrarse con la estaciónde medida más cercana, ya que las condiciones meteorológicas y ambientales seránsimilares. De este modo, nuestro dispositivo podrá obtener sin problema medidasrelativas y dar resultados más ajustados.
3.2.2. Coste
No conseguimos encontrar sensores basados en tecnología MOS que sean capacesde reportar correctamente las medidas de concentración de dióxido de azufre, la únicasolución sería emplear un sensor electroquímico para esta medida. La dificultad a laque nos enfrentamos aquí es el precio, mucho más elevado que el resto de sensores.Estaríamos hablando de $85 dolares en la actualidad, $180 cuando se estaba llevandoa cabo esta parte del proyecto. Frente a los $10 de media que cuestan los demás. Espor eso, por lo que se decide no incluir sensor de dióxido de azufre.
La solución planteada para poder salvar la ausencia de este sensor es usar el para-digma de las TIC y apoyarse sobre la integración con dispositivos móviles. Se buscaobtener esa medida de los detectores automáticos más cercanos instalados en las ciu-dades. Utilizando un dispositivo móvil para tomar lecturas del dispositivo a diseñar,permitiría mediante el uso de GPS y datos, obtener el dato usando las plataformasciudadanas existentes de monitorización de la calidad del aire, como por ejemplo,http://aqicn.org/home (Figura 3.3) y http://waqi.info/. En [39] podemos veruna comparativa de precios y algunas características de estos sensores.
Figura 3.2: Comparativa de precios extraída de [39]
3.2. Análisis para la elección de sensores 29
Figura 3.3: Captura de la página web http: // aqicn. org/ home
3.2.3. Noticias sobre contaminación del aire y tecnologías mó-viles
Durante el proceso de documentación e investigación, se encontraron varios artículosque resultan muy ilustrativos de los avances en la detección de la calidad del aire condispositivos móviles y por otro lado noticias que hablan de niveles escandalosos decontaminación, que obligan a modificar nuestros actos cotidianos.
Are environmental sensors coming to the iPhone 6? http://www.macworld.com/article/2600342/are-environmental-sensors-coming-to-the-iphone.html
Portable sensor lets users monitor air pollution on their smartphone http://newatlas.com/citisense-air-quality-monitor/25512/
Madrid supera ya el límite de la UE por contaminación del aire para todo el2015 http://www.lavanguardia.com/natural/20150114/54423338493/madrid-supera-limite-ue-contaminacion-aire-2015.html
Toxic air pollution particles found in human brains https://www.theguardian.com/environment/2016/sep/05/toxic-air-pollution-particles-found-in-human-brains-links-alzheimers
Paris emergency measures to combat smog hailed as a success https://www.theguardian.com/world/2015/mar/23/paris-smog-pollution-emergency-measures-traffic
30 Capítulo 3. Elección del aire como propiedad medioambiental a monitorizar
Figura 3.4: Imagen de la contaminación en Madrid (Fuente: El-País)
3.3. Elección de sensores
3.3.1. Sensores para PMx
Los sensores elegidos para la medición de partículas PM10 y PM2.5 son:
a) Dust Sensor SHARP GP2Y1010AU
Método de medida – La cantidad de partículas de 10µm o menos, se repre-senta como el valor de tensión alcanzado en el terminal de salida, tras un pulsode corriente a la entrada. Este pulso alimenta un fotodiodo, las pérdidas de po-tencia óptica en el camino entre el fotodiodo emisor y receptor es proporcionalal número de partículas, por eso, se realiza a una longitud de onda concreta.
b) Dust Sensor SAMYOUNG DSM501A
Método de medida – El procedimiento óptico es similar al anterior, solo queen este caso, la circuitería que acompaña a la parte de sensado expresa el valormedido mediante un PWM y las partículas que se van a observar son de 2.5µm.
3.3.2. Sensores para medir presiones parciales de gases conta-minantes
Los sensores elegidos para la medición de las presiones parciales NO2, O3 y COson:
a) MiCs-2714 para NO2
b) MiCs-2614 para O3
3.4. Definición de las etapas del proyecto 31
c) MiCs-5524 para CO
d) MiCs-4514 para CO y NO2 en un solo sensor
Método de medida – Son sensores MOS de película resistiva, la medida vie-ne reflejada en la variación de la tensión en un divisor resistivo, en el que laotra resistencia es fija y de valor cercano a la de calibración del sensor, paramaximizar la sensibilidad.
3.3.3. Otros sensores
Se decide incluir un sensor de temperatura y humedad SHT21 de Sensirion [40],ya que son parámetros sencillos de medir y existen gran variedad de dispositivoselectrónicos que pueden aportar esta solución. Se elegie este, por ser de montajesupercial y de pequeñas dimensiones. Este sensor añadirá valor a la solución final yservirá para poder ajustar mejor los sensores MOS, ya que les afectan las condicionesambientales, la temperatura y la humedad.
3.4. Definición de las etapas del proyectoUna vez hemos elegido los sensores que se van a incluir dentro del dispositivo,
pasamos a definir las etapas que quedan para completar el proyecto.
3.4.1. Prueba de concepto
Antes de lanzarse al diseño del dispositivo, se hace necesario el poder ponerse encontacto directo con los sensores, ver cómo reaccionan, cómo funcionan mediante elanálisis de las señales involucradas y poder realizar estimaciones de consumo. Conlos problemas encontrados y los conocimientos adquiridos, se pretende incluir en eldiseño del dispositivo, la circuitería necesaria para sacar el máximo partido al dispo-sitivo, tanto desde un punto de vista funcional, como en investigación para futurosprototipos.
3.4.2. Desarrollo del dispositivo
En esta etapa convergen el diseño, la implementación y evaluación del sistema.Tanto desde un punto de vista abstracto de subsistemas interrelacionados, como decomponentes hardware conectados en una PCB y por último, la programación delsoftware necesario para el funcionamiento.
3.4.3. Conclusión, análisis y líneas futuras
Una vez conseguimos el desarrollo del dispositivo y verificamos su funcionamiento,damos paso a la generación de conclusiones sobre el trabajo realizado. Además serealiza un análisis sobre la integración con dispositivos móviles y las lineas futurasque aparecen tras el trabajo realizado.
33
Capítulo 4
Prueba de concepto para la obtenciónde medidas
Antes de comenzar con el diseño del dispositivo encargado de monitorizar la calidaddel aire, se realiza una compra de los sensores elegidos con la idea de estudiar sufuncionamiento, ver sus posibilidades, y de este modo, tener la intuición necesariapara integrarlos en un mismo sistema. De todos los sensores, el SHT21 no se estudiaen esta etapa, ya que por las características expresadas en la documentación, es simplede integrar y carece de interés su prueba.
4.1. Herramientas utilizadasBQ Zum Core [41] . Compatible con Arduino. Arduino es una plataforma dehardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desa-rrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.Principalmente la hemos usado para probar los sensores de PMx, ya que hay códigosdisponibles en internet. Existen proyectos DIY para el uso de estos sensores con laplataforma Arduino. La ventaja de esta placa de prototipado es que incluye pinescon alimentación a 5V de los que se puede extraer hasta 3A por lo que podríamosconectar todos los sensores al mismo tiempo.
Figura 4.1: Placa de prototipado BQ ZUM.
34 Capítulo 4. Prueba de concepto para la obtención de medidas
MiCs Quick Start Evaluation Board SGX Sensortech [42] Según la docu-mentación de los sensores MiCs, los vapores de flux y soldaduras no controladas,pueden provocar el rápido deterioro de los sensores. En la página web de la compa-ñía, se ofrece un kit de desarrollo. Básicamente está compuesto por un regulador lineala 5V un socket adaptado para los sensores, un conjunto de resistencias y clavijas parasu selección.
Figura 4.2: Placa de apoyo de SGX Sensors.
Medidor de corriente En general, para la medida de consumo de los sensores MiCsse utilizó un amperímetro común, pero para el caso de los sensores de polvo, teniendoen cuenta el modo en el que se debían de realizar las medidas, suscitaban interés lospicos de corriente que se podían producir. Es por eso por lo que se diseña un medidorde corriente basado en un amplificador de instrumentación usando un LM324AN. Laidea es simple, amplificar la tensión que cae sobre un shunt, para poder medirla con elosciloscopio. Como conocemos la resistencia del shunt, podremos fácilmente usandola ley de ohm, obtener la corriente que pasa de manera instantánea.
Figura 4.3: Placa para medir corriente, basada en LM324AN.
4.2. Funcionamiento de los sensores ópticos 35
Aún habiendo realizado los cálculos teóricos para saber qué medidas podía dar elmedidor, la mejor manera de obtener mediciones fiables es calibrarlo con un instru-mento de laboratorio. Se toma una fuente de alimentación limitada en corriente y unamperímetro y se hace pasar una corriente por la shunt. Se mide la caída de tensióntanto en la shunt como a la salida y se van anotando los pasos de corriente. De estemodo, usaremos la ecuación que obtenemos de la recta de calibración del medidor.Con esta ecuación, ya podemos transformar los valores de tensión que veamos en lapantalla del osciloscopio a corriente.
Figura 4.4: Curva de calibración del medidor de corriente
Instrumentación de laboratorio Los circuitos que se han usado se han montadousando una placa de prototipado de inserción o una de puntos para soldar (medidor decorriente). Por otro lado, ha sido necesario el uso de osciloscopio, soldador, multímetro,etc.
4.2. Funcionamiento de los sensores ópticosTienen un factor común en cuanto a la forma en la que se obtienen las concen-
traciones de partículas. Estas concentraciones se obtienen mediante la potencia deseñal óptica que se pierde en una cavidad, en la cual encuentra aire y partículas ensuspensión. Las longitudes de onda de trabajo se eligen para la captación del tipo departícula objetivo.
4.2.1. SHARP GP2Y1010AU
Independientemente del funcionamiento interno del dispositivo, lo que nos preo-cupa ahora es cómo realizar las medidas. Para ello acudimos a la documentación ydeterminamos que el funcionamiento es el siguiente:
36 Capítulo 4. Prueba de concepto para la obtención de medidas
Figura 4.5: SHARP GP2Y1010AU.
Alimentación correcta del dispositivo a 5V.
Se mantiene la entrada 3 a 5V todo el tiempo hasta que se quiera hacer unamedida.
Para hacer la medida, se pone a cero la tensión en la conexión 3 durante 320µs,luego volvemos a subir a 5V. Repetimos esta operación cada 10ms.
A la salida del sensor tendremos una especie de pulso, en el que tendremos quemedir la tensión 280µs más tarde de haber cambiado la tensión en la entrada 3.
Con esa tensión, vamos a la tabla de calibración del fabricante y obtenemos laconcentración de partículas de 10µm.
Figura 4.6: Esquema interno delsensor.
Figura 4.7:Respuestaesperada.
Podemos ver en las figuras 4.6 y 4.7, la configuración que se ha comentado.
4.3. Funcionamiento de los sensores resistivos 37
4.2.2. SAMYOUNG DSM501A
En este caso no nos tenemos que preocupar tanto por la temporización. El sensor,en el momento en el que es alimentado, comienza a dar medidas en forma de pulsosnegados. Hay que tener en cuenta que este sensor necesita de un minuto para obtenermedidas fiables según la documentación, ya que lleva integrada una resistencia quecalienta el aire del interior. El objetivo es crear una corriente de convección que hagapasar un flujo de aire por la zona a medir.
Una vez trascurrido el tiempo de calentamiento, lo único que tenemos que haceres medir el tiempo que la señal se encuentra a 0V durante 30 segundos. Obtenemosmediante una división el tanto por cierto de tiempo que ha estado abajo la señal.Con este valor, consultaremos la tabla de calibración del fabricante, y obtenemos lamedida de la densidad de partículas de 2.5µm.
4.3. Funcionamiento de los sensores resistivosLos sensores resistivos poseen una superficie compuesta de óxido, generalmente
por dióxido de estaño, que se calienta por una estructura que genere calor, comopuede ser una resistencia integrada. Cuando ciertos compuestos son absorbidos porla superficie, esta tiene la facultad de cambiar su resistencia eléctrica. Si se analizalas variaciones de esa resistencia en el tiempo frente a diferentes muestras de gas,podremos obtener información sobre la concentración de gas. Los sensores de gasbasados en semiconductores son más complejos que otros, ya que en ellos, se produce lacombinación de procesos de naturaleza térmica, química y eléctrica al mismo tiempo.
Figura 4.8: Sensor MiCs insertado en el socket.
La resistencia de base puede variar muchísimo de un sensor a otro por el procesode fabricación. Teniendo en cuenta las condiciones de medida, SGX Sensortech reco-mienda monitorizar la sensibilidad. Por ejemplo, el cambio relativo de la resistenciamedida frente a una base. Esto permite detectar cambios en la concentración de gas,en vez de tener medidas absolutas del mismo, que como vimos anteriormente, parabajas concentraciones del gas,estas medidas se vuelven complicadas.
38 Capítulo 4. Prueba de concepto para la obtención de medidas
Los sensores varían su comportamiento con la temperatura, por lo que se aconsejala compensación de la resistencia medida para poder utilizar la misma curva de cali-bración. Por otro lado, también se ven afectados por otros gases distintos del objetivo,por lo que se recomienda el uso de modos pulsados. Eso sí, muy limitados, ya que eluso de estos modos incrementa el deterioro de los materiales.
Estos sensores necesitan un tiempo de calentamiento de al menos 30 segundosantes de poder realizar la medición. Además, se debe evitar el flujo de aire a travésde ellos, ya que el aire puede modificar la temperatura de la superficie y dar falsasmedidas. El fabricante asegura que estos sensores funcionando durante 6000 horasen las mismas condiciones no han experimentado cambios en la medida. Nosotros,en nuestro sistema, no nos podemos permitir la alimentación continua, ya que se haquerido que sea portátil.
4.4. Pruebas, medidas y validación
4.4.1. SHARP GP2Y1010AU
Se someten los sensores al paso de aire en diferentes zonas, se les sopla y se les hacepasar humo. Para producirlo se utilizó una botella de plástico en la que se introdujohumo procedente de quemar papel. Se intenta la muestra con diferentes densidadesde humo y los resultados parecen ser satisfactorios, ya que no tenemos manera decuantificar de otra forma la cantidad de partículas. Se utiliza un código adaptadodel extraído de http://arduinodev.woofex.net/2012/12/01/standalone-sharp-dust-sensor , realizandoel montaje adecuado para el funcionamiento del sensor.
Consumo con alimentación 1.5 mA
Consumo durante la medida 7.5 mA (Usando el medidor de corriente)
Figura 4.9: Res-puesta en tensión del
sensor.
Figura 4.10: Res-puesta de consumo del
sensor.
4.4. Pruebas, medidas y validación 39
4.4.2. SAMYOUNG DSM501A
Se procede del mismo modo que con el otro sensor de partículas. Se utiliza un códi-go adaptado del extraído de http://wiki.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Dust_sensor, realizando el montaje adecuado para el funcionamiento del sensor.
Consumo durante la medida 87.5 mA
Figura 4.11: SAMYOUNG DSM501A.
4.4.3. MiCs-2714 para NO2
Para realizar estas medidas se utilizó la placa de SGX. Una vez se midió la resis-tencia del pull-down del sensor, se alimentó, y se procedió a la exposición a diferentesentornos de temperatura y humedad en el laboratorio. Para conseguir algo de NO2,a fin de comprobar que el sensor experimentaba mayores variaciones con este gas, seprodujo la combustión de aceite sintético y se introdujo el aire de la combustión enuna botella para poder controlar la exposición. Se probó a soplar al sensor, y comose podía leer en la documentación, se producían cambios en la medida. Considerablessi el flujo era fuerte.
Consumo durante la medida 27 mA
4.4.4. MiCs-2614 para O3
Procedemos como en el caso anterior, sólo que en este caso particular, no es posiblela generación de ozono para las pruebas. En un principio, se barajó la posibilidad deelaborar un generador de arcos voltaicos, ya que el ozono se suele producir cuandose da lugar un arco eléctrico (en una tormenta eléctrica, los niveles de ozono sonmuy altos). Se comenzó con el diseño de un multiplicador de tensión, pero la idea sedescartó pronto dada la peligrosidad del invento, y porque suponía una pérdida detiempo si no se conseguía el efecto deseado.
Consumo durante la medida 35 mA
40 Capítulo 4. Prueba de concepto para la obtención de medidas
4.4.5. MiCs-5524 para CO
En este caso, para producir el gas, se introdujo una cerilla incandescente en unabotella boca abajo, hasta que por la falta de oxígeno, la cerilla se apagaba. Se buscabala mala combustión, que en general produce monóxido de carbono. Los resultadosfueron grandes variaciones ante la exposición.
Consumo durante la medida 33 mA
Figura 4.12: Respuesta del sensor durante 30 segundos.
Figura 4.13: Respuesta del sensor durante 40 segundos.
4.4. Pruebas, medidas y validación 41
Figura 4.14: Respuesta del sensor durante 60 segundos.
Podemos observar en las gráficas que se han extraído del osciloscopio, cómo amedida que pasa el tiempo, la variación de la tensión es menor. Esto se corresponde conla idea extraida de la documentación sobre el tiempo de calentamiento y estabilizaciónde la medida. En los casos observados son necesarios más de 30 segundos para que laseñal sea lo suficientemente estable como para realizar una medida.
4.4.6. Validación
Los resultados obtenidos nos ayudan a tomar la determinación de comenzar eldiseño de un sistema que incorpore estos sensores, y además cumpla con otra serie derequisitos que veremos en el siguiente capitulo.
Figura 4.15: Uno de los montajes para hacer pruebas.
43
Capítulo 5
Desarrollo del dispositivo
En este capítulo se va a tratar el desarrollo del dispositivo desde la concepción delas especificaciones hasta la verificación, pasando por todas las etapas de diseño yanálisis involucradas. Dentro de cada sección se abordarán las cuestiones relativas almódulo en cuestión, ya sea desde un punto de vista software o hardware. Se haceasí, con el objetivo de tener una visión completa del funcionamiento del módulo enparticular que forma el sistema.
5.1. Especificaciones del sistemaEn el capítulo 3 se determinaban cuáles serían las propiedades del aire que se iban
a medir con nuestro dispositivo. Ahora se procederá a concretar las especificacionesdel sistema conforme a lo establecido en los objetivos de este proyecto. Se enumerana continuación las especificaciones del dispositivo.
Portátil. Es indispensable el poder disponer de un dispositivo portátil, ya quees necesario que se pueda utilizar con independencia del lugar. Teniendo encuenta que los niveles de contaminación son diferentes en el interior y en elexterior de los hogares, el dispositivo deberá ser capaz de adaptarse a los dosentornos. Esto último implica que no puede tener un peso y tamaño excesivos.
Integrable con dispositivos móviles. Teniendo en cuenta el estado del artesobre dispositivos de medida para la ciudadanía, y la hegemonía de los dispo-sitivos móviles como medio de información personal, el sistema deberá incluiruna interfaz que pueda permitir la comunicación con dispositivos móviles.
Medir variaciones de las presiones parciales de NO2, O3 y CO. Estaespecificación y la siguiente son obvias para poder informar de la calidad segúnel estándar AQI de la EPA. Para eso se usará la documentación disponible en[43] sobre directrices para reportar la calidad del aire según la EPA.
Medir densidades de PM10 y PM2,5.
Medir temperatura y humedad. Son parámetros del entorno que aportaninformación importante para el usuario, pero además, serán necesarios paracompensar las variaciones en las medidas de los sensores. Como vimos en elcapítulo 3, los sensores utilizados tienen una gran dependencia de las condicionesambientales, entre las que destacan la temperatura y la humedad.
44 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema
5.2.1. Diseño de bloques del sistema
Gracias a los análisis llevados a cabo en el capítulo 4, tenemos una idea de los sen-sores que tenemos que incorporar en nuestro dispositivo. Queda ver cómo se integrany cuáles son los subsistemas necesarios para lograr el funcionamiento del dispositivo.Una manera simple de hacerse una concepción global, es realizar un esquema concajas de subsistemas, en el que se ve rápidamente de qué esta compuesto el sistema.
Figura 5.1: Diagrama de bloques de la arquitectura del sistema a im-plementar.
En el esquema 5.1 podemos observar los diferentes subsistemas que van a componerel dispositivo. A continuación, explicamos la funcionalidad y el contenido de cada unode ellos. Esto nos será útil para seleccionar los componentes de cada módulo y hacernosuna idea de las interconexiones que van a existir entre ellos.
Gestión de la batería
Nos encontramos con el bloque encargado de gestionar la batería, así como de laenergía que se extrae de la misma. Para realizar estar tareas se hace necesario:
Circuito cargador de batería para tecnología Li-Po. La entrada de energía en elsistema para cargar la batería se realizará mediante el uso de un conector micro-USB a 5V. Se elige la tecnología Li-Po por su alta densidad energética y porser la batería más usada actualmente en smartphones, por lo que se garantizala portabilidad del sistema.
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema 45
Circuito de estimación del estado de carga de la batería. Informará al procesadorsobre la cantidad de energía que ha entrado o salido de la batería.
Circuito de acondicionamiento de la alimentación para los diferentes bloquesque forman el sistema.
Conexión al exterior mediante un conector micro-USB. Hoy en día es la interfazmás utiliza entre dispositivos móviles, por lo que nos aseguramos la compatibi-lidad con cables y cargadores de 2A para tablets.
Clúster de Sensores
Se trata de la agrupación de sensores que necesitaremos para reportar la calidaddel aire del entorno. Existen sensores que vienen en módulos separados, por tanto, eneste bloque se agrupan los siguientes sensores:
Sensor de temperatura.
Sensor de humedad.
Sensor de NO2 (Dióxido de Nitrógeno).
Sensor de O3 (Ozono).
Sensor de CO (Monóxido de Carbono).
Sensor combinado (CO + NO2).
Sensor de polvo PM10.
Sensor de polvo PM2,5.
Microprocesador + ADCs + Memoria
El microprocesador será el encargado de gestionar todos los módulos que vemosrepresentados en el diagrama 5.1. Se generará el firmware necesario para el correctofuncionamiento del conjunto. Para cuantificar la medida otorgada por los sensoresnecesitaremos canales ADC con el objetivo de trasladar estas medidas al micropro-cesador. Con el microprocesador podremos realizar operaciones para presentarlas oenviarlas a otro dispositivo. Por último, tendremos que disponer de la capacidad su-ficiente de memoria como para albergar los datos generados, tanto por el sistema,como los cálculos derivados tras todo el tiempo útil de la batería.
Presentación
Dicho bloque estará compuesto por los componentes encargados de mostrar demanera directa la calidad del aire en el entorno,es decir, la interfaz de usuario. Estáformada por:
46 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Pantalla. Esta pantalla debe permitir albergar los datos obtenidos de los sen-sores y el valor calculado de la calidad del aire en el entorno. Y si fuera necesarioinformación acerca del estado de la batería, información sobre la conexión BT,etc.
Led RGB. Con la ayuda de un led RGB podremos representar los 6 coloresimpuestos por la normativa de la EPA para la representación del AQI.
Botón. Con él podremos controlar el encendido y apagado del sistema y otrasopciones como la de gestionar la conexión BT o cambiar los datos a mostrar enla pantalla.
Módulo BLE
Interfaz de comunicación inalámbrica para poder enviar los datos de las medidas aun dispositivo remoto. Con ello podemos obtener las medidas realizadas por nuestraplaca de sensores y analizar a posteriori series históricas y otro tipo de informaciónrelacionada con dicha información obtenida. Se elige esta tecnología de comunicaciónpor su bajo consumo, y además, porque no se espera un alto ratio de transmisión. Seproporciona con ello una interfaz de usuario vía radio.
Se descartan otras tecnologías inalámbricas comoWi-Fi o Zigbee, porque se busca laintegración con smartphones y tablets. Estos dispositivos estarán utilizando la interfazWi-Fi para estar conectados a Internet, por lo que es mejor utilizar el otro medio detransmisión disponible (el Bluetooth) para enviar los datos.
5.2.2. Elección de los componentes para la arquitectura delsistema
Ya tenemos claras las funcionalidades que se tienen que implementar en cada unode los bloques de la anterior sección. Los dispositivos comunes, como son los elementospasivos y transistores, quedan relegados a la parte de diseño de esquemáticos. Es elturno de los circuitos integrados y módulos compuestos.
Se descarta hablar en esta sección de los sensores, porque ya fueron explicados endetalle no sólo ellos sino también la selección de los mismos en 3.3. No obstante, síse incluyen en esta sección los componentes involucrados en el acondicionamiento deseñal y muestreo. A continuación, vamos a enumerar los componentes elegidos paracada funcionalidad.
Circuito cargador de batería
Se emplea el componente bq24072 [44]. Su sencillez en cuanto a configuración ycompatibilidad para usarse con cargadores de pared, lo hacen un buen candidato.Además incluye “power-path”, por lo que podemos alimentar el sistema a través deeste circuito si se encuentra conectado al cargador sin consumir energía de la batería,siempre y cuando la batería ya se ha cargado.
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema 47
Batería Li-Po
Se utiliza una batería Li-Po de 3000mAh. Se elige de esta capacidad porque suelenser las de mayor densidad energética. Con las pruebas realizadas en el capítulo 3 ypor los consumos estimados usando los datasheets del resto de componentes, se intuyeun consumo en el peor de los casos de 300mA durante el funcionamiento (sistema +pantalla + medida de sensor). Esta estimación de consumo no es durante toodo eltiempo, sólo en momentos de máximo consumo, el resto del tiempo el consumo serámenor. Esta batería nos daría autonomía suficiente para experimentar con nuestrodispositivo varios días.
Amplificador operacional para monitorizar corriente
Elegimos el INA195 [45], se trata de un amplificador de tensión diseñado espe-cialmente para medir la caída de tensión en shunts. Con este amplificador podremosobtener una medida de la corriente que está entrando o saliendo de la batería, conel objetivo de poder realizar cálculos basados en la cuenta de Coulomb de los mAhextraído o almacenados.
Microcontrolador
Usamos el KL27P64M48SF6 [46] (Kinetis KL27 Microcontroller). Un microcon-trolador optimizado para bajo consumo, de propósito general, ideal para dispositivosportátiles, basando en un core ARM Cortex M0+ hasta 48MHz. Las razones princi-pales para utilizar este micro son: el bajo consumo en los modos de bajo consumo, lamemoria interna de la que dispone para almacenar datos, facilidad de programacióny por último la plataforma de Desarrollo (NXP ofrece herramientas potentes como elIDE KSD y Processor Expert).
Por otro lado, existen multitud de ejemplos de programas para la plataforma dedesarrollo basada en KL27 (Placa de evaluación Freedom FRDM-KL27Z [47] de nues-tro microcontrolador).
Expansor de interfaces GPIOs
Se quiere encender y apagar todos y cada uno de los módulos que componen eldispositivo, por lo que será necesario enviar una linea de “enable” a cada uno. Lospines del microcontrolador no son suficientes y se incluye para tal función el circuitointegrado TCA9555 [48] controlado por I2C.
Led RGB
Usamos un led RGB de montaje superficial, el OVSRRGBCC3TM [49]. Su diseñoSMD y de pequeñas dimensiones lo hacen idóneo para nuestro dispositivo.
48 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Amplificadores operacionales de bajo ruido
Estos amplificadores operacionales servirán para el acondicionamiento de señal delos sensores de gas y el de partículas PM10 de Sharp. Se usan un par de LMV774[50]. Sus principales características son bajo ruido y bajo offset.
Conversor Analógico-Digital
No se necesita una velocidad excesiva para la medida de las señales analógicasde los sensores de gas, y se espera poder tomar la medida de la tensión en el sensorde partículas Sharp en el momento adecuado. Para esta tarea, se busca un ADC deinstrumentación de baja velocidad y bajo coste. El ADC128D818 [51] cumple conestos requisitos.
Potenciómetro digital
Con el objetivo de incluir una circuitería que permita la implementación de unalgoritmo interno de auto-calibración y compensación de los sensores de gas, se decideincluir un potenciómetro digital de 100KΩ para completar una cadena de resistenciasque hacen las veces de potenciómetro controlado, encargándose así del ajuste fino. Elpotenciómetro elegido es configurable por I2C, se trata del TPL0102-100PWR [52].
Módulo BLE
Existen multitud de soluciones en el mercado para cumplir con la funcionalidadde comunicación por Bluetooth. Tras realizar una búsqueda exhaustiva, se llega a laconclusión de que es importante incluir un chip de Nordic, ya que son los mayoresfabricantes en volumen de módulos integrados BT a nivel mundial.
Encontramos un módulo de Adafruit, BLUEFRUIT LE SPI FRIEND [53], que uti-liza una plataforma basada en un micro de Nordic. Para salvar el coste de comprarlodirectamente en Adafruit, se busca documentación del módulo integrado en la solu-ción de Adafruit y se decide integrar directamente el módulo interno del shield ennuestro sistema. Se trata del MDBT40-R256 [54] de RAYTAC que está basado en elmicrocontrolador NRF51822 y que lleva antena integrada.
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema 49
Figura 5.2: Módulo BT de Raytac basado en el NRF51822 de NordicSemi.
Placa interfaz con pantalla, encoder y SD.
En el momento del diseño, se disponía de la posibilidad de encargar módulos deimpresora 3D que incluyen pantalla, ranura SD, botón de control y encoder. Se adaptaperfectamente a lo que necesitamos para poder integrarlo a nuestro sistema. Se tratade la placa de control del LCD de la impresora BQ Hephestos 2 [55].
Traductor de niveles para SPI.
La circuitería de la pantalla funciona a 5V y nuestro procesador funciona a 3,3V.Es necesario traducir las señales del BUS SPI para que sea posible la comunicacióncon el controlador de pantalla. Para ello nos hacemos con el integrado TXB0108PWR[56].
Reguladores lineales a 3.3 [V].
Tanto el microcontrolador, como el módulo BT que vamos a utilizar funcionan a3.3V, por lo que equiparemos al dispositivo con dos reguladores, uno para cada mó-dulo. Esto es así, porque el regulador del microcontrolador siempre estará encendido,mientras que el del módulo BT será apagado por cuestiones de ahorro energético. Eneste caso usaremos el LP5907-3.3 [57].
Regulador Boost para interfaz gráfica a 5 [V] .
Según la documentación del módulo que incluye el LCD de la pantalla WG12864U5-TFH-VB5, el mayor consumo esperado está cercano a los 100mA. Por ello, se buscaun regulador que ofrezca un poco más de corriente. Nuestro candidato es el MCP1623[58].
50 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Regulador Boost para sensores a 5 [V] .
Necesitamos en este caso un regulador que nos asegure un bajo ruido a la salida,ya que se va a encargar de alimentar a los sensores. Tras barajar varias opciones,optamos por usar un regulador que esté algo sobredimensionado (800mA aprox., algosuperior a 6 sensores que consumen 100mA cada uno). Con ello nos aseguramos queen el futuro, se puedan hacer medidas de sensores en paralelo. El regulador encargadode realizar esta función es el MCP1642B-ADJ [59].
5.2.3. Diseño de los esquemáticos del dispositivo
Con la lista de los componentes de cada módulo del sistema, nos disponemos ainterconectarlos con el objetivo de crear nuestro sistema. Gracias a la distribucióndel sistema por bloques, podemos abordar esta etapa comentando los detalles másimportantes de cada sección de manera ordenada.
En los anexos se pueden consultar los esquemáticos del sistema. Es por eso, queen esta sección se van a comentar solamente aquellos detalles más importantes queno se encuentran en las hojas de especificaciones y que forman parte solamente delámbito de diseño del sistema. Dicho esto, veamos por ejemplo, que hay componentescomo el traductor de niveles o los reguladores lineales que se han montado siguiendolos diseños recomendados sin más. En otros casos, como en el cargador de batería,los valores de las resistencias de configuración vienen explicados en la página delesquemático correspondiente.
Medidor de corriente
Al comienzo del diseño, se pensó en incluir un circuito que se encarga del “FuelGauge” de la batería. Esta idea se descartó por coste y complejidad, ya que en realidad,si el sistema sólo va a tener períodos de funcionamiento en los que el consumo esestable, se puede realizar de manera interna una estimación. Con un contador y lacorriente medida en las condiciones de funcionamiento del dispositivo (un perfil deconsumo completo del sistema), se puede estimar la cantidad de energía disponibleque queda almacenada en la batería. Por otro lado existen algoritmos de estimaciónde la carga de la batería basados en medidas conjuntas de corriente y tensión de lacelda de batería que podrían ser implementados, por lo que se elige este diseño.
La elección de los componentes se ha realizado conforme al diseño de referencia delintegrado, el punto importante aquí es el valor del shunt. Por la documentación leídaen diversas hojas de características de integrados para la medida de “Fuel Gauge”, engeneral se solía usar valores de 10 mΩ. Este valor de resistencia, sumando a la con-figuración de ganancia 100 del modelo montado, nos asegura una precisión adecuadaen las medidas de corriente que entra y sale de la batería.
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema 51
Compatibilidad de la placa interfaz con pantalla, encoder y SD
En el diseño de esta parte hay varios detalles a resaltar.
El botón del encoder está constantemente alimentado con la alimentación delmicrocontrolador (VCC). Esto es así, para garantizar que el botón está dispo-nible aunque la alimentación de la interfaz con pantalla de 5V se encuentreapagada.
Esto no es así con los dos canales del encoder para notificar el giro. En este caso,los canales van alimentados a través de un divisor resistivo acompañado de undiodo Zener en paralelo, el cual garantiza un máximo de 3.3V en la línea haciael micro mientras se esté alimentando la interfaz. Si hubiéramos usado VCCpara los canales de giro del encoder, tendríamos consumo indeseado durante el“sleep”, ya que sabiendo que los estados del encoder en reposo pueden ser “alto” o“bajo”, en el caso de ser bajo, habría un camino de corriente desde alimentaciónpor el “pull-up” necesario para esa estructura. Con la configuración actual, elconsumo en sleep del encoder es nulo.
La placa de interfaz posee también un zumbador. No se pensaba incluir estafuncionalidad en un principio, pero se consideró importante que funcionara,ya que una señal acústica en caso de estar en una situación de contaminaciónextrema sería deseable, más que la señal visual emitida por el led RGB. Por loque se conecta una línea hacia él desde el módulo de PWM del microcontrolador.
Sensores de gas
Llegado el momento de incluir los sensores de concentración de gas en nuestrodispositivo, nos disponemos a implementar los circuitos de medida que aparecen enla hoja de características de cada uno.
Resistencia de película sensible al gas. Tenemos en nuestras manos unsensor resistivo, que por teoría de instrumentación electrónica se puede medirde diferentes maneras, dependiendo de la arquitectura que elijamos. Es poresto, por lo que nos ponemos en contacto con la empresa de sensores para pedirinformación acerca de cuáles son sus sugerencias para la medida de los sensores.Su respuesta es, el divisor resistivo.
En tal caso, nuestro trabajo ahora será maximizar la sensibilidad del trans-ductor. Esto se consigue haciendo que la resistencia de carga que montamos enserie con el sensor sea lo más parecida a la resistencia de base de calibracióndel sensor. Junto con la respuesta de SGX, vino adjunto un enlace a su nota deaplicación sobre la medida del sensor y efectivamente, en ella existía un apar-tado dedicado a maximizar la sensibilidad con unas breves explicaciones. En lasiguiente gráfica (figura 5.3), podemos ver el efecto de la resistencia de cargaen la sensibilidad del sensor cuando la resistencia de carga está desadaptada oadaptada (Rcarga ' Rsensor).
52 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Figura 5.3: Efecto de la resistencia de carga sobre la respuesta delsensor a un evento de exposición al gas objetivo.
En nuestro esquemático hemos reproducido el montaje de la figura 5.4. Peroen lugar de usar un solo potenciómetro, usamos varios en serie. Cada uno delos potenciómetros, de valor creciente para poder cubrir el margen hasta elmáximo notificado por el fabricante del sensor. Así por ejemplo, se utilizantres potenciómetros (1 KΩ , 10 KΩ y 50 KΩ) para el sensor MiCs-2614, quetiene un rango de R0 (en adelante, resistencia de base) de 3 KΩ a 60 KΩ. Conesto se pretende poder realizar un ajuste fino de la resistencia de carga paraaproximarla lo máximo posible a la del sensor. Por otro lado, es indispensableincluir la resistencia de 820 Ω para proteger la película resistiva del sensor decualquier configuración de los potenciómetros.
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema 53
Figura 5.4: Circuito de medida propuesto en la nota de aplicación deSGX.
Uno de los principales problemas que se encuentra a la hora de diseñar utilizandoestos sensores es que las especificaciones de resistencia base de calibración sonmuy variadas. Es decir, el rango de variación es muy grande (de pocos KΩhasta MΩ). Se consultó al fabricante por la posibilidad de obtener algún datomás específico, como una función de distribución de las posibles resistenciasbase de cada sensor, pero afirmaron que el proceso de fabricación empleado,no garantizaba en términos probabilísticos el centrarse en un rango pequeñode valores porque la dispersión era enorme. Por eso ofrecían esos márgenes enla hoja de características. La nota de aplicación que hemos comentado estáaccesible en [60].
Resistencia de calentamiento del sensor. Con el objetivo de reducir eltiempo de calentamiento y estabilización del sensor para la obtención de me-didas con estabilidad en la señal de salida del sensor, se diseña una circuiteríaexterna al sensor. Esta circuitería se va a encargar de hacer pasar la máximacorriente posible por la resistencia de calentamiento durante un tiempo estable-cido entre 2 y 3 segundos y posteriormente se bajará la corriente al valor típico.Tanto el valor máximo como el típico son los que se encuentran en las hojasde características. Basamos nuestro diseño en la idea de aumentar el gradientetérmico de calentamiento del sensor en los primeros instantes y suavizarlo mástarde, para que la llegada a la zona de medida sea más suave.
54 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
En un primer instante, el sensor estará a temperatura ambiente, por lo que,si hacemos funcionar la resistencia de calentamiento al máximo durante muypoco tiempo, el sensor no llegará a alcanzar la temperatura de medida, pero síse habrá ahorrado tiempo de calentamiento. La solución circuital de la que ha-blamos, es un circuito temporizado basado en una red R-C, que tras un tiempoelegido (que se reflejará en la selección del valor de la resistencia y el condensa-dor), hará conmutar un transistor que previamente se encontraba conduciendoen paralelo a una resistencia. Se trata de la resistencia R3 de la figura 5.5.
Figura 5.5: Circuito para precalentamiento del sensor.
El funcionamiento del circuito es sencillo. Durante pocos segundos, la resis-tencia que hay entre alimentación y masa por el camino de la Rheater es más bajapor estar cortocircuitado el transistor a la resistencia. Tras la conmutación, laresistencia del camino aumenta, de manera que se reduce la corriente. Para el di-seño de esta parte se realizaron simulaciones utilizando la herramienta LTSpice[61] para cada uno de los sensores (ya que tienen resistencias de calentamientodistintas). A continuación veremos una captura de los resultados obtenidos dela simulación para el MiCs-2614, extensible a los otros dos sensores.
5.2. Diseño de la arquitectura del sistema 55
Figura 5.6: Resultado de la simulación del circuito de la figura 5.5.
En el montaje también se incluye como en la mayor parte de los módulos deeste dispositivo, un montaje con dos transistores para gestionar la alimentacióndel sensor. No nos podemos permitir que la resistencia de calentamiento estáfuncionando todo el tiempo por motivos de ahorro energético.
Por último dejamos la posibilidad de incluir una resistencia en lugar de lospotenciómetros. Es decir, si tras un proceso de calibración externo se decide nomontar los potenciómetros, se ha dejado la huella para así incluir una resistenciadel valor deseado que haga las veces de resistencia de carga.
Potenciómetro ajustable
Basándose en la idea llevada a cabo en el circuito de precalentamiento de los sensoresde gas (se cortocircuitaba una resistencia para eliminar su efecto en el camino de lacorriente), reproducimos el diseño tal y como podemos ver en la página 13 de losesquemáticos. Dichas resistencias son elegidas conscientemente de manera crecientepara poder alcanzar valores cercanos a las posibles resistencias Rsensor. Por último,para un ajuste más fino, se incluye un potenciómetro digital controlado por I2C. Nosaseguramos de que la inclusión de este dispositivo no va a afectar en términos de ruidoen la medida, para luego consultamos esta nota de aplicación [62]. Por otro lado, elhecho de tener la salida del sensor centrada en una tensión intermedia, nos aportaventajas desde el punto de vista de la medida con el ADC, ya que al no estar cerca delos margenes superior e inferior de medida, el error introducido por el ADC es menor.
56 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Figura 5.7: Idea del circuito propuesto en la nota de aplicación paramaximizar la sensibilidad del sensor.
Sensor de temperatura y humedad SHT21 [40]
Se incluye una red RC para medir el valor del PWM del sensor, ya que tras la redquedaría un valor constante de tensión proporcional al ciclo de trabajo que buscamosmedir (es donde se almacena la información de temperatura y humedad). De todosmodos, por teoría sobre medida de señales pulsadas, por tratarse de una señal debaja frecuencia (120Hz), el procedimiento deseado es medir el ciclo de trabajo me-diante líneas de interrupción al microcontrolador. Por eso, la primera opción pasa aser opcional y preferimos conectar directamente la salida del sensor a un GPIO delmicrocontrolador.
Led RGB SMD
Es conocido que la eficiencia lumínica de los diodos led son diferentes dependiendodel color de emisión. Si atendemos a las características del documento técnico, nosdamos cuenta que podemos compensar ese efecto de iluminación ponderando las resis-tencias que van en serie con los diodos, de este modo garantizamos que los tres canalesbrillan con la misma intensidad y nos será más sencillo poder reproducir colores RGB.
Conversor de niveles I2C
En el bus I2C del dispositivo hay variados periféricos que funcionan a diferentetensión. Por un lado, el expansor de GPIO funciona a 3.3V, mientras que el ADC yel potenciómetro digital funcionan a 5V. Para poder comunicar todos los periféricos
5.3. Posicionado y rutado de componentes 57
sin necesidad de la implementación de un nuevo bus de datos, se instala un conversorde niveles para conseguir interconectarlos todos. El montaje realizado sigue las guíasde diseño comentadas en la nota de aplicación publicada por NXP [63].
Microcontrolador
Para la integración del microcontrolador en el sistema, se siguen las hojas de ca-racterísticas y se pone especial atención en dejar puntos de prueba en todos los pineslibres que están sin uso en el microcontrolador por si fuera necesario en la etapa demontaje y puesta en marcha, realizar algún ajuste para que el sistema consiga tenertodas las funcionales, debuguear o cualquier otro tipo de funcionalidad nueva que sequiera probar en un futuro.
Módulo BLE
Para añadir el módulo Bluetooth, además de consultar la documentación del fa-bricante, se buscó más documentación en internet, ya que había cuestiones como lainclusión de un reloj externo que no estaban claros en la documentación. Se encontróun proyecto [64] en el que se solucionaban justamente las dudas que surgieron y porotro lado se encontraban disponibles los esquemáticos [65] usados para el módulo deBluetooth de Adafruit en el que nos habíamos inspirado para incluir el MDBT-40.Además se dejan disponibles puntos de programación para poder cambiar la configu-ración del dispositivo en un futuro.
Acondicionamiento de señal y sensado
Una vez tenemos la tensión de salida del sensor, el siguiente paso es trasladar estaseñal al ADC para poder muestrearla. Para que la impedancia de entrada del ADCno cargue el sensor (recordemos que hay sensores que pueden llegar a tener una R0
de hasta 1.5MΩ) se interpone un operacional en configuración de seguidor de tensión.Tras este seguidor de tensión se incluye el filtro antialiasing, formado por un circuitoRC con frecuencia de corte a 1500Hz. En el caso del circuito de acondicionamientopara el sensor de partículas de Sharp, se diseña el filtro con una frecuencia de cortede 16900Hz, mayor para que no afecte en el tiempo de subida del pulso a la salida delsensor de polvo.
Con esta estructura conseguiremos, por un lado el desacoplo de impedancias quenos da el seguidor de tensión y por otro lado la eliminación de componentes y ruidode alta frecuencia que no aportan nada para la medida que queremos realizar (unnivel DC).
5.3. Posicionado y rutado de componentesEn esta sección se va a tratar cómo se dispusieron algunos componentes y por qué.
El diseño hardware está accesible en las referencias [66], por lo que en estos puntos
58 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
vamos a explicar algunos detalles que se tuvieron en cuenta a la hora de realizar estaetapa del diseño.
5.3.1. Dimensiones y forma de la PCB
Las dimensiones de la placa del sistema están diseñadas para que encajen con laplaca para la interfaz de usuario. Teniendo en cuenta que la placa con la pantallatiene unas dimensiones de 15cm x 7cm, nuestro objetivo debía ser insertar nuestroscomponentes al menos en esta superficie, para que el dispositivo final no fuera muygrande. Para decidir el tamaño de la PCB que estamos diseñando, realizamos variasdisposiciones de los sensores de partículas debajo de la placa de presentación. La mejorsolución observada es usar una superficie de 15cm x 5cm. De este modo quedan libres2cm a lo largo de la placa de presentación que podemos aprovechar para insertar lossensores de polvo en posición vertical. En la documentación del sensor de Samyoungse detalla explícitamente que el sensor debe estar de canto para que se produzca laadecuada circulación del aire.
La forma de la PCB va a imitar la del módulo de pantalla. De este modo, parala elaboración de una caja permitiría que las paredes exteriores del diseño fueranuniformes. Además se busca que ambas placas se interconecten y queden paralelas.
Figura 5.8: Parte frontal de la PCB.
5.3. Posicionado y rutado de componentes 59
Figura 5.9: Parte trasera de la PCB.Nota: El nombre del dispositivo recibe el nombre de Spica (Estrella más
brillante de la constelación de Virgo)
5.3.2. Disposición de los módulos
Uno de los rasgos más característicos de la disposición de los componentes de laPCB es que se disponen de manera que, en condiciones normales (pantalla haciaarriba), los componentes se encuentren mirando hacia abajo. Esto se diseña de estemodo para evitar la posible deposición de partículas de polvo sobre la electrónica, ysobre todo, encima de los sensores de gas.
Para que no existan problemas con la integridad de las señales o ruido digital en lossensores, se disponen los componentes de manera que claramente podemos observaruna parte analógica y otra digital del dispositivo.
60 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Figura 5.10: Disposición de los módulos en el diseño.
5.3.3. Consideraciones de diseño
En esta parte se van a comentar algunas consideraciones importantes llevadas acabo, que han dotado a la PCB de la disposición que se puede observar en la figura5.10.
La parte de gestión de la batería se diseña en un lateral de la placa y se intentaque los conectores de entrada de energía al sistema estén lo más cerca posiblepara evitar pérdidas energéticas y aumento de temperatura (durante la cargacircula una gran cantidad de corriente aprox. 1A). El circuito de carga se sitúaentre ambas interfaces y se incluye un camino térmico lo más amplio posiblepara evitar el calentamiento durante la carga.
En general, los reguladores para la alimentación de los módulos se han posicio-nado lo más cerca posible de los módulos que alimentan, para garantizar unabuena integridad de la señal de alimentación.
El módulo MDBT-40 se dispuso en ese lugar porque era el emplazamiento en elque no existían partes metálicas en la placa de interfaz que pudieran mitigar lapotencia de transmisión y/o recepción del módulo.
La zona en la que se encuentran los sensores se ha compactado al máximo paraque las condiciones ambientales dentro de la placa sean iguales para todos lossensores. Por otro lado, por ser una zona en la que sólo intervienen señales de
5.3. Posicionado y rutado de componentes 61
carácter analógico, se quiso apartar toda esta circuitería a una zona restringidade la placa. Es por eso que ocupa toda el lateral superior derecho de la placa.
Aprovechando el chaflán que posee la placa de interfaz en la parte inferior de-recha, se imita esta forma en la PCB diseñada con el objetivo de cubrir mayorapertura de visión de la luz del led. Si se pusiera en un lateral, el límite de visiónsería de 180 grados, mientras que en el chaflán sería mayor. Buscamos que elbrillo del led tenga la mayor facilidad posible de visión por parte del usuario.
5.3.4. Montaje y soldadura de componentes
Durante el montaje y soldadura de componentes se utilizaron diversas técnicas quecomentaremos a continuación.
Figura 5.11: Horno de soldadura durante el proceso de calentamientoy soldadura.
En primer lugar se comenzó por el uso del stencil que se pidió con la PCB. Se fijóla placa al stencil y se depositó pasta de soldadura para proceder a posicionartodos los componentes.
Durante esta etapa, se dejaron sin colocar los sensores para evitar su exposición avapores de flux y a alta temperatura. Por otro lado los potenciómetros tampocose colocaron para no dañar sus propiedades.
Tras el proceso de horneado (figura 5.11), con la ayuda de microscopio y es-tación de soldadura, se procedió con el resto de componentes. Para evitar lacontaminación de los sensores, se taparon con capton. De este modo se evita-ría la entrada de vapores y gases indeseados durante el montaje que pudierandañarlos.
62 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Una vez tenemos completamente montada la placa, adaptamos el módulo depantalla con un nuevo conector para conseguir que ambas placas puedan unirse.
Una técnica muy eficaz utilizada para la soldadura de componentes SMD du-rante esta implementación, ha sido el “reflow”, o soldadura por pistola de airecaliente. Con esta técnica hemos podido controlar el proceso de soldadura delos sensores MiCs.
Con estos pasos habríamos conseguido tener listo el prototipo para comenzar con laspruebas funcionales.
5.4. Pruebas básicas de funcionamientoEn esta sección se van a relatar las pruebas que se han realizado al dispositivo y
comentar los bloques de software que se han generado para la prueba de las diferentesfuncionalidades del dispositivo. El código está accesible en el enlace que podemosconsultar en las referencias [67].
Para no entrar demasiado en desarrollo del código implementado, se va a comentara grandes rasgos los módulos implementados para realizar cada funcionalidad sugeridapara las pruebas de funcionamiento. Para el desarrollo del código se utiliza el IDEde Kinetis (KSD studio) y una placa programadora PE Micro a través de la interfazSWD.
Del mismo modo, se comentarán aquellos arreglos realizados al montaje e inciden-cias que se han encontrado, junto con la solución planteada a dicho escenario.
5.4.1. Alimentaciones
Antes de conectar por primera vez el dispositivo a la alimentación, se realizaronmedidas en todas las zonas de alimentación para comprobar que no había cortocir-cuitos o caminos de baja impedancia. Una vez comprobado, conectamos la placa auna fuente de laboratorio simulando una batería y comprobamos que había pasado el“smoke test”.
Para comprobar que los reguladores incluidos funcionan correctamente se programael encendido y apagado de cada módulo y se mide con el osciloscopio. Se obtienenvalores satisfactorios a excepción de la alimentación de los sensores. En este últimocaso, durante el funcionamiento la tensión es correcta (5.01V), pero en el estado deapagado, se pueden medir aproximadamente 1.6V. Tras investigar el esquemático yrealizar diversas pruebas se puede ver que la tensión aparece como consecuencia de lafuga que se produce en el “pull-up” del conversor de niveles I2C. Para futuras versionesserá necesario incluir un “output enable” para evitar esta situación. No tiene mayorimportancia ya que el consumo es muy bajo, si no lo fuera, la tensión sería 0V y no1.6V.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 63
5.4.2. Batería
La siguiente prueba a las alimentaciones fue comprobar el circuito de carga. Losresultados fueron los esperados y el dispositivo consiguió realizar un ciclo de cargaadecuadamente. Con ayuda de una pistola de infrarrojos para medida de temperatu-ra, se comprobó que tras cinco minutos de “fast-charge” la temperatura del circuitointegrado se encontraba sobre los 44 grados centígrados.
5.4.3. Buses
Para ello insertamos componentes de Processor Expert que gestionen los driversdel bus SPI e I2C. Se prueba a mandar varias tramas y capturarlas por el osciloscopioy el comportamiento es el esperado.
Surgieron algunos problemas de nivel de protocolo entre el integrado de la pantallapor el SPI y con el ADC por I2C. En el primer caso, hay que tener cuidado conla línea CS, ya que la librería utilizada y el comportamiento del controlador de lapantalla exigen un comportamiento particular. Todo ello se solucionó revisando afondo la documentación. Por otro lado, el ADC daba problemas para poder leer lasmuestras en tanto respondía con una trama mayor a la que se le pedía. La soluciónfue enviar los comandos en modo bloqueante y recibir los datos por polling. De estemodo pudimos leer correctamente.
5.4.4. Puesta en marcha del sistema
Para poner en marcha el sistema y poder comprobar que cada una de las funciona-lidades incluidas cumple las especificaciones, se fue módulo a módulo realizando unaabstracción de las rutinas de bajo nivel para facilitar el manejo del sistema. De estemodo será sencillo programar sobre esta interfaz diferentes modos de comportamientoy aplicaciones. El primer paso para poner en marcha el sistema fue trabajar con lailuminación del led, esto nos aportaría información útil para debuguear, además deusar el debugger del IDE. El objetivo de comenzar por esta parte más sencilla erafamiliarizarse con el entorno de programación y pruebas.
Siguiendo las guías de diseño para la obtención del AQI según el estándar de la EPA[43] se implementan en el código las funciones necesarias para realizar la traducciónde los valores de concentraciones de gas y partículas de los sensores a nivel de calidaddel aire.
Pantalla
Para el uso del módulo de pantalla se realiza una adaptación de la librería U8glib[68] en su versión para microcontroladores ARM. Se encontraron diversos problemaspara la adaptación relacionados con las esperas del sistema y la capa de abstracciónhardware. El procedimiento a seguir fue identificar el funcionamiento que debieratener la pantalla funcionando correctamente con la placa BQZUM con la librería
64 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
de Arduino. Se capturaron las tramas SPI de inicialización correspondientes y trasanalizar y debuguear la librería se consiguió adaptar la librería a la interfaz SPI denuestro micro. A partir de ahí, conseguimos realizar el conocido “hola mundo!” yseguir con la programación de otras rutinas.
Expansor de interfaces GPIOs
Para este dispositivo se implementa un driver que nos abstrae de las escriturascorrespondientes en sus registros y sólo dejar paso a la llamada a funciones en las quese pasa como parámetro el módulo de la placa que se quiere encender. En general,estas funciones se van a llamar desde las rutinas de inicialización de otros módulos,así que facilita el proceso de programación del resto del código para otros dispositivoshardware.
Sensor de temperatura y humedad SHT21
Se descarta tomar medidas de la señal analógica que dejamos para promediar elPWM (la red RC no era suficientemente eficaz para mantener una continua). Se pro-cede a implementar un módulo driver en el que se incluyen las rutinas de apagado yencendido, atención a las interrupciones para medir el ciclo de trabajo de la señal ylas rutinas para calcular la temperatura y la humedad conforme a los datos leídos delsensor y las constantes incluidas en la documentación del dispositivo. En un princi-pio, sólo se obtenían medidas de temperatura, y se descubrió que el camino térmicodel dispositivo está ligado a línea SCL de comunicación. La solución fue desoldar elcomponente, cortar la pista y volverlo a soldar. Desde el punto de vista software, lamedida del tiempo se realiza mediante un contador que se activa con los flancos desubida cuando se atiende la interrupción y se para con los flancos de bajada. Trasesto se saca el tiempo de la señal en alto.
ADC128D818 y red de acondicionamiento
Como en casos anteriores, se implementa un driver que nos permita abstraernos dela configuración inicial y de las rutinas de comunicación para así solo preocuparnos porencenderlo, apagarlo y obtener las medidas de los canales. Surge un problema derivadode una errata en el diseño, y es que la configuración implementada en los esquemáticosno se correspondía con un seguidor de tensión. Existían dos posibilidades, una eralevantar el componente, cortar pistas y empalmar; y la otra era sencillamente quitarlos operacionales. Se opta por la segunda, pero en este caso debemos tener en cuentaque al quitar los operacionales, la impedancia de entrada del ADC puede influir enla medida. Para compensar el efecto de carga del ADC se procede a la medida de laimpedancia de entrada del ADC. Esto se consigue mediante el uso de dos resistenciasen serie de valor conocido y medido. Se realizan medidas de tensión en el divisorresistivo conectado y sin conectar a la entrada del ADC.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 65
Figura 5.12: Captura de osciloscopio con la que se midió la impedan-cia de entrada del ADC.
Lo que observamos en el osciloscopio es que aparece una bajada de tensión de apro-ximadamente 12ms que se corresponde con el tiempo de medida del ADC. Obteniendolas ecuaciones de los dos montajes y despejando la variable objetivo, obtenemos quela impedancia de entrada del ADC se encuentra en torno a 1450KΩ. Suficientementealta para dos de los sensores pero no para el MiCs-5524 que puede tener resistenciasde base hasta 1500KΩ. En estos cálculos también se ha aislado la impedancia deentrada del osciloscopio (10MΩ). Podemos por tanto seguir con la puesta en marchadel dispositivo porque no limita el avance, pero queda anotado para solucionar ensiguientes versiones.
Sensor de partículas PM10
Durante la implementación del driver para este módulo, se encontró una incidenciaa la hora de realizar la medida a los 280µs de lanzar el flanco de bajada. El ADCes muy, muy lento. Es un parámetro que pasamos por alto en la etapa de diseño. Eltiempo que necesita el ADC para recolectar una medida son 12ms aproximadamentepor canal (lo pudimos medir en 5.12). Para solucionar esta incidencia se utilizó elcanal de ADC desechado en el sensor SHT21. No tenemos ningún tipo de problemaal implementar esta solución porque el sensor satura su salida a 3.8V y eso ocurremetiendo un bolígrafo en el sensor. Los niveles de polvo nunca van a ser tan altoscomo para alcanzar los 3.3V del máximo valor de Href del ADC. Por tanto se conectóun cable desde la línea del sensor de PM10 a la línea del ADC interno del micro. Seconsigue tras esto último obtener correctamente las medidas del sensor. En la siguientesección sobre medidas podremos ver la respuesta del sensor en el dispositivo.
Para realizar la medida en el momento oportuno, se realizaron ensayos para capturarmuestreos al mismo tiempo con la placa y el osciloscopio. De este modo, tras compararambas medidas, nos aseguramos que cogiendo la muestra 37 del buffer en el que sevan almacenando las muestras del ADC, estamos tomando la medida justo a los 280µs indicados en las instrucciones de medida del fabricante.
66 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Sensor de partículas PM2.5
En este caso, la implementación es similar a la del sensor temperatura y humedadSHT21, pero con la particularidad de medir en este caso el ciclo de trabajo invertido (eltiempo que está abajo la señal). Durante la implementación se encontró que el sensorno respondía en las partes altas de señal con valores altos de tensión, por tanto, eldivisor resistivo que se había incluido atenuaba aún más la señal. La solución que sellevó a cabo fue cambiar los valores de las resistencias del divisor resistivo. De estemodo, el microcontrolador era capaz de detectar correctamente los flancos de subiday de bajada de la señal proveniente del sensor.
Sensores MiCs
Llega el turno de los sensores de SGX. El objetivo es poder comprobar que se puedeobtener medidas de la variación de las concentraciones de gas en el ambiente. Comose vio en el capítulo 4, la variación se va a apreciar pero necesitamos una curva decalibración con la que se pueda realizar la traducción de resistencia a concentraciónde gas.
Se plantearon diversas formas de calibración que involucraban el uso de cámarasde vacío (no se puede porque los encapsulados de los componentes explotarían) y eluso de mezcladores másicos (no disponibles). Para salvar este problema se recurre alos fabricantes de los sensores con la intención de obtener ayuda. La información quese obtiene es la curva de un sensor de otro tipo pero que nos da una intuición depor donde podríamos dar una solución temporal hasta que se pueda tener acceso auna cabina de calibración. Al fin y al cabo, una vez tengamos el dispositivo podemoscalibrarnos con la estación más cercana en la ciudad, como se comentó en el capítulo3.
La solución planteada es obtener de las hojas de características unas ecuaciones conlas que poder realizar la traducción. El procedimiento pasa por agrandar la gráfica,tomar puntos y a posteriori realizar un ajuste con una hoja de cálculo para obtener laecuación más cercana que representa la respuesta del sensor al gas contaminante. Acontinuación presentamos las gráficas con los puntos elegidos y los ajustes que se hanobtenido para cada uno de los sensores que hemos utilizado. Los rangos representadosen las gráficas son acordes a los rangos necesarios para obtener el AQI, téngase encuenta que los rangos de medida de los sensores son mayores.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 67
Figura 5.13: Puntos obtenidos de la gráfica de la hoja de especifica-ciones del MiCs-5524.
Figura 5.14: Ajuste realizado sobre los puntos obtenidospara MiCs-5524.
68 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Figura 5.15: Puntos obtenidos de la gráfica de la hoja de especifica-ciones del MiCs-2714.
Figura 5.16: Ajuste realizado sobre los puntos obtenidospara MiCs-2714.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 69
Figura 5.17: Puntos obtenidos de la gráfica de la hoja de especifica-ciones del MiCs-2614.
Figura 5.18: Ajuste realizado sobre los puntos obtenidospara MiCs-2614.
Potenciómetro digital
Se comprueba que la comunicación es correcta y que se dan a la salida las condi-ciones configuradas con su cambio de resistencia.
70 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
5.4.5. Medidas y consumo energético
En este apartado se va a realizar una presentación de las medidas básicas relaciona-das con los sensores incluidos en el dispositivo que carecen de atención. Por supuesto,se trata de los sensores de respuesta analógica, ya que los de respuesta por pulsossuscitan más interés desde el punto de vista de la programación de la algoritmia parala medida que la interpretación de la evolución temporal de la señal.
Las medidas de consumo se realizan con la ayuda de un Power Monitor de Mooson[69] conectado en el lugar de la batería. Estos consumos son los del sistema haciala batería, no los de los sensores directamente. Estamos hablando del consumo delsensor más, el resto de circuitería y las pérdidas por la eficiencia de los reguladores.Para extraer la implicación en el consumo de un sensor, se realiza una resta entreel consumo durante la operación y cuando el sensor está apagado. Esto nos ayuda arealizar estimaciones de consumo del sistema.
En los siguientes subapartados se va a realizar un rápido repaso por los sensoresincluidos en el dispositivo y mostrar las gráficas obtenidas sobre su funcionamiento yconsumo energético. No se muestra el consumo del sensor SHT21 porque no se apreciaen la gráfica, su consumo es inferior a 1mA. Por otro lado, el consumo del sensor departículas describe un consumo plano de 126mA. Las gráficas de consumo energéticotienen la siguiente interpretación:
1) Sistema antes de inicialización.
2) Se inicializa el sistema y queda a la espera de que lancemos la medida.
3) Se realizan el proceso de medida.
4) Se apaga el sensor.
Sensor de partículas PM10
Se puede apreciar a continuación que el resultado de la medida es similar al queobteníamos en la prueba de concepto y que por tanto el software/hardware involu-crado para realizar la medida, funcionan correctamente. El consumo medio del sensorencendido es de 2.7mA y durante la medida 8.81mA.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 71
Figura 5.19: Respuesta del sensor a la excitación del led de entrada.
Figura 5.20: Tensión de alimentación del led durante varias medidas.
Figura 5.21: Dos ciclos de medida del sensor, se puede apreciar quecada ciclo de medida dura 1.11s y que se realizan 10 muestreos para
una medida.
72 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
MiCs-5524
El consumo durante el precalentamiento es de 59.34mA y seguidamente, durantela medida 51.95mA.
Figura 5.22: Tensión en la parte baja de la resistencia de calenta-miento del sensor.
Figura 5.23: Respuesta del sensor a un ciclo de medida.
MiCs-2714
El consumo durante el precalentamiento es de 54.93mA y seguidamente, durantela medida 42.62mA.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 73
Figura 5.24: Tensión en la parte baja de la resistencia de calenta-miento del sensor.
Figura 5.25: Respuesta del sensor a un ciclo de medida.
MiCs-2614
El consumo durante el precalentamiento es de 62.82mA y seguidamente, durantela medida 55.17mA.
74 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Figura 5.26: Tensión en la parte baja de la resistencia de calenta-miento del sensor.
Figura 5.27: Respuesta del sensor a un ciclo de medida.
Módulo de pantalla
El consumo del backlight de la pantalla es de 73.9mA, y un refresco de pantallasupone 5.31mA sobre el consumo anterior.
5.4. Pruebas básicas de funcionamiento 75
Figura 5.28: Gráfica de consumo del módulo de pantalla, se puedenapreciar los refrescos.
5.4.6. Validación del sistema
Si hacemos un repaso a las especificaciones del sistema, podemos concluir que seconsigue dar una solución a todas las especificaciones propuestas. Por otro lado, trashaber realizado el diseño y la implementación del mismo, la realización de pruebasfuncionales y de consumo, muestran que el sistema puede ser portátil y que ademásdispone de las herramientas necesarias para mostrar el AQI.
El AQI será preciso en el caso de los sensores de partículas, aproximado en el casode los sensores de gas, pero tras el proceso de calibración con una estación de medidapodremos disfrutar de medidas más precisas. Con este apartado se cierra la partededicada al diseño e implementación del sistema de medida de la calidad ambientalcentrándonos en el aire.
76 Capítulo 5. Desarrollo del dispositivo
Figura 5.29: Visión delantera del montaje del dispositivo con pantalla.
Figura 5.30: Visión trasera del montaje del dispositivo sin pantalla.
77
Capítulo 6
Conclusiones y líneas futuras
6.1. Conclusiones“La ingeniería es el conjunto de conocimientos científicos y tecnológicos para la
innovación, invención, desarrollo y mejoramiento de técnicas y herramientas parasatisfacer las necesidades de las empresas y la sociedad.”
Es necesario que se concluya la redacción de esta memoria expresando las conclu-siones obtenidas del trabajo realizado en este proyecto fin de carrera, tanto desde unpunto de vista social y empresarial, como desde un punto de vista tecnológico.
Desde un punto de vista social, podemos concluir que la tendencia de los últimostiempos de la sociedad con respecto a la preocupación medioambiental está en auge.Herramientas tan poderosas como Internet y las redes sociales permiten que la in-formación fluya a una velocidad jamás vista. La necesidad actual relacionada con latemática de este proyecto que surge es, que la sociedad demanda información localde la calidad del medio ambiente y que la información que es capaz el individuo demedir por sí mismo está limitada por cuestiones tecnológicas y de coste. Tecnológicasporque no existe una tecnología barata que ofrezca buenas prestaciones, y de coste,porque para obtener la calidad del ambiente es necesario poseer una basta variedadde sensores. Esto hace imposible para el ciudadano ser dueño de la información delmedio que le rodea, ya que esa información tiene que llegarle a través de otros medioscomo las estaciones de medida o laboratorios dedicados, que son los dueños de esainformación. Ante esta situación, este proyecto se suma a la idea de conseguir quelos ciudadanos puedan tener una plataforma propia e independiente con la que podermedir la calidad del ambiente.
Desde un punto de vista empresarial, vimos al final del capítulo 2 que el mercadode los sensores de calidad del ambiente está al alza. Luego anticiparse al mercadocon propuestas como la que aquí se propone puede ser una buena oportunidad demercado.
78 Capítulo 6. Conclusiones y líneas futuras
Desde un punto de vista tecnológico, se tienen varias conclusiones acerca de haciadonde se dirige la investigación en el ámbito de los sensores ambientales, concreta-mente relacionado con la calidad del aire, que ha sido el tema central del diseño deldispositivo presentado en este proyecto:
Los sensores basados en tecnologías MOS están aun en etapas muy tempranas.Vemos sin duda que esta tecnología es mucho más barata que el resto, pero elprecio que se paga es la falta de sensibilidad y en muchos casos precisión en lamedida.
Los sensores electroquímicos ofrecen buenos resultados pero sus precios siguenestando a niveles altos para aventurarse a comenzar diseños para la sociedad deconsumo.
Los sensores ópticos ofrecen soluciones de medida para la mayoría de parámetrosque se pueden estudiar en el medio ambiente, pero su principal inconvenientees el tamaño y el precio. Por otro lado, a nivel de consumo no están mal, porlo que serían fácilmente integrables. Es por eso por lo que se tiene la certezaque el futuro de los sensores medioambientales reside en la miniaturización desensores ópticos capaces de muestrear varios parámetros del medio ambiente ala vez.
Una vez hemos observado conclusiones a nivel general del desarrollo del proyecto,vamos a comprobar que se ha conseguido cumplir con los objetivos marcados al iniciodel proyecto.
En el capítulo 2 se ha realizado un estudio para comprobar las inquietudes dela sociedad sobre el entorno ambiental, y se han enumerado las característicasdel medio que son medibles para la interpretación de la calidad del ambiente.Del mismo modo se ha realizado una revisión de los diferentes sistemas, proce-dimientos y tecnologías de captación. Con esto hemos conseguido cumplir losdos primeros objetivos planteados.
En el capítulo 3 se describe la elección del aire como característica del medioa evaluar. Juntando el análisis realizado en ese capítulo con la sección 2.4 serealiza una investigación sobre los sistemas de captura, métodos y tecnologíaspara informar de la calidad del aire. Cumpliríamos así el tercer y cuarto objetivo.
En el capítulo 5, con algunas referencias al capítulo 4, se diseña un dispositivoportátil que pueda mostrar la calidad del ambiente centrándose en poder calcularla calidad del aire y mostrarla al usuario.
En la parte final del capítulo 5 y en el capítulo que nos encontramos ahora, seobtienen conclusiones al trabajo realizado. Como se va a ver a continuación ana-lizaremos la viabilidad de la integración con dispositivos móviles y expondremoslas líneas futuras de trabajo.
6.2. Estudio de viabilidad de la integración con dispositivos móviles 79
Se cierra esta sección no sin antes hacer referencia al dispositivo desarrollado eneste proyecto. Dicho dispositivo aporta como parte innovadora la integración de di-ferentes tecnologías de sensado bajo un mismo sistema. Por otro lado, puede ser unproducto final para el ciudadano en pocas iteraciones de diseño. A nivel de investiga-ción, permite a personas con conocimientos sobre la temática, utilizarlo y modificarsus características actuales a su antojo, para tratar de encontrar un modo de mejorarla medida de las concentraciones de gas utilizando sensores MOS. En este proyectose puso especial interés en que se incluyeran todos los componentes hardware ne-cesarios para que la potencialidad del dispositivo fuera mayor a la sugerida en lasespecificaciones.
6.2. Estudio de viabilidad de la integración con dis-positivos móviles
El dispositivo desarrollado incluye un módulo Bluetooth muy potente, por eso seeligió el NRF51822 de Nordic y no otro. El propio módulo Bluetooth integrado ennuestra placa es un microcontrolador con el que se podrían hacer más tareas ademásde la comunicación Bluetooth.
En la actualidad el módulo se ha programado con una versión de firmware quepodemos encontrar en la web de Adafruit para que tenga el mismo comportamientoque el módulo que podemos encontrar aquí [53]. Por otro lado, existe código para unaplataforma similar a la utilizada en este proyecto para implementar una uart sobreBLE, dicho proyecto se puede observar en esta referencia [70].
Dado que se ha incorporado una vía de comunicación, comúnmente utilizada entrelos dispositivos móviles, podemos concluir que es viable la integración con estos dis-positivos. Dada la potencialidad del módulo Bluetooth, podría incluso plantearse laposibilidad de que el sistema fuera programable por Bluetooth.
6.3. Líneas futurasDado el estado actual del desarrollo del dispositivo y toda la investigación que ha
supuesto, aparecen nuevas ideas que se podrían implementar utilizando el dispositivoo mejoras que se podrían incorporar en el futuro.
Con el objetivo de lograr la auto-calibración de los sensores tanto en condicionesde fábrica como en situaciones de cambio de características ambientales. Se incluyóen el diseño del dispositivo un módulo dual de sensores donde la resistencia de cargadel sensor estaría formada por resistencias seleccionables y un potenciómetro digital.El principal objetivo era dotar al dispositivo de un módulo capaz de explorar lasposibilidades de la auto-calibración del sensor. Por eso se piensa que una línea a seguir
80 Capítulo 6. Conclusiones y líneas futuras
es la implementación de algoritmos de auto-calibración del sensor en circunstanciastemporales dispares.
El diseño actual se puede coger con una mano, pero qué ocurriría si se realizaraun estudio de optimización de componentes. Pues la respuesta sería que hay muchospotenciómetros y sensores duplicados, por lo que la placa podría ser más pequeña.Una línea futura de trabajo que surge de aquí es poder realizar una implementacióndel dispositivo en el que no se sacrifiquen las especificaciones pero consiguiendo reducirel espacio considerablemente, de manera que pase de ser un dispositivo grande a unopequeño que se pueda llevar encima sin molestia. Por ejemplo, pillado a una mochila.
Dada la disponibilidad del módulo BT para comunicaciones, con la idea de mejoraraún más la integración en teléfonos y otros dispositivos móviles, una línea de trabajofuturo es la implementación de una aplicación para móvil que capte los datos deldispositivo, los presente al usuario y sea capaz de realizar análisis estadísticos sobrelos datos, así como su compartición en redes sociales e internet.
La verificación de funcionalidades básicas no ha explorado el uso de los modos debajo consumo del sistema. Teniendo en cuenta toda la teoría existente para diseñode sistemas empotrados de bajo consumo, sería buena idea para una línea de traba-jo, el análisis, diseño e implementación de técnicas de bajo consumo usando comoplataforma el dispositivo presentado en este proyecto.
81
Apéndice A
Esquemáticos de Spica
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
1 *
TOP_SPICA
1 0
21/09/2016 18:28:05
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
1 235
46
79
810
J6
2x5pin Header 1.27mm
VCC
GND
SWD_DIO_TGTMCU
RST_K20D50_B
KL27_SWD_CLK
LED_GREEN
LED_BLUE
LED_RED
CHG_ON
DC_GOOD
CURR_SNS
EN_CHG
GND
N_EN_HTSCL_HT
VCCSDA_HT_ANA
SDA_HT_PWM
U_TEMP_HUMTEMP_HUM.SchDoc
GND
VCC
N_EN_HTSCL_HT
SDA_HT_ana
CS_INDFUBT_SCK
BT_MISO
BT_MOSI
BT_IRQ
BT_SWDIO/RST
GND
BT_3V3
U_BLEBLE.SchDoc
BT_3V3
GND
BT_CSBT_DFUBT_SCKBT_MOSIBT_SWDIO/RST
BT_MISOBT_IRQ
LCD_MOSILCD_CSLCD_SCKLCD_RST
BUZZ
SD_CLKSD_CSSD_DINSD_DOUTSD_R_CD
BTN_ENC
ENC1ENC3
LVL_EN
GND
VCCUI_5V
U_LCD_SDCARD_BUTTONLCD_SDCARD_BUTTON.SchDoc
SNS_5V
GND
S_EN_O3S_EN_NO2S_EN_COS_EN_COMB
VCC
S_EN_PM10S_EN_PM10_ILEDS_EN_PM2.5
S_ADC_INT
S_ADC_SCLS_ADC_SDA
S_PM2.5_Vout1S_PM2.5_Vout2
S_DPOT_SCLS_DPOT_SDAS_DPOT0S_DPOT1S_DPOT2S_DPOT3S_DPOT4
U_SENS_ADCSENS_ADC.SchDoc
EN_BT_PWR
EN_UI_PWR
EN_SNS_PWR
U_PMICSPMICS.SchDoc
EN_BT_PWR
EN_UI_PWR
EN_SNS_PWR SNS_5VVCC
VCC
GND
GND
UI_5V
R148220
GND GND
VCC
RST_K20D50_B
S_EN_O3S_EN_NO2S_EN_COS_EN_COMB
S_EN_PM2.5
S_EN_PM10S_EN_PM10_ILED
I2C_SCL_H
S_DPOT0
S_ADC_INT
S_PM2.5_Vout1S_PM2.5_Vout2
SD_DOUTSD_R_CD
BTN_ENC
ENC1ENC3
LCD_MOSILCD_CSLCD_SCKLCD_RST
BUZZ
SD_CLKSD_CSSD_DIN
LVL_EN
S_DPOT1S_DPOT2S_DPOT3S_DPOT4
LED_GREENLED_BLUE
LED_REDSWD_DIO_TGTMCU
RST_K20D50_BKL27_SWD_CLK
LCD_MOSI
LCD_CSLCD_SCK
LCD_RST
EN_BT_PWREN_UI_PWR
EN_SNS_PWR
SCL_HT
SDA_HT_ana
BT_CSBT_SCK
BT_MOSIBT_MISO
BT_SWDIO/RST
BT_IRQBT_DFU
CHG_ONDC_GOOD
CURR_SNSS_PM2.5_Vout1S_PM2.5_Vout2
S_ADC_INT
BUZZ
SD_CLKSD_CS
SD_DINSD_DOUT
BTN_ENCENC1
ENC3
I2C_SDA_H
MCU_I2C_SCLMCU_I2C_SDA
INT1
A12
A23
P00 4P01 5
P02 6
P03 7P04 8
P05 9
P06 10P07 11
GND 12
P10 13P11 14
P12 15P13 16
P14 17
P15 18P16 19
P17 20
A021
SCL22SDA23
VCC24
U19
TI-TCA9555
MCU_I2C_SCLMCU_I2C_SDA
VCC
VCC
GND
VCC
TP47TP46
GND
VCC
N_EN_HT
S_EN_O3
S_EN_NO2S_EN_CO
S_EN_COMB
S_EN_PM2.5
S_EN_PM10S_EN_PM10_ILED
S_DPOT0S_DPOT1
S_DPOT2S_DPOT3
S_DPOT4
INT_IO_EXP
INT_IO_EXP
SDA_HT_PWM
SDA_HT_PWM
GND
TP39TP40
TP42
TP44
TP41
D11OVSRRGBCC3
VCC
R147680
3
1
2
Q35N-CH
3
1
2
Q36N-CH
3
1
2
Q37N-CH
GND
SW1TL1015AF160QG
GND GND GND
I2C_SCL_HI2C_SDA_H
R15610K
R149220
R150
220R151
220R152
220
R162
220
R15710K
R15810K
R16110K
R159
10KR160
10K
R16310K
C76100n
C77100n
PRG_DIOPRG_CLKPRG_RSTI2C_SDAI2C_SCL
SPI0_MISOSPI0_MOSI
SPI1_MISOSPI1_MOSI
PWM_LED_REDPWM_LED_GREEN
PWM_LED_BLUE
SPI0_SCKSPI0_PCS0
SPI1_SCKSPI1_PCS0
BUZZER
SPI2_MISOSPI2_MOSI
SPI2_SCKSPI2_PCS0
ADC_CH0ADC_CH1
PTC0PTC1-LLWUPTC2PTC3
PTC8PTC9PTE0PTE1
PTE21PTE23PTE24PTE25PTE29PTE30PTE31PTA1
PTA2PTA4-NMI
PTA5PTB2PTB3
PTB16PTB17PTC10PTC11
U_SOCSOC.SchDoc
TP43
(DNP)
R153
0
(DNP)
R154
0
(DNP)
R155
0
LCD_SCK
LCD_MOSI
LCD_MISO
LCD_MISO
CHG_ON
DC_GOOD
EN_CHG
CURR_SNS
U_BAT_CHGBAT_CHG.SchDoc
SDA_L
SCL_L
SDA_H
SCL_H
U_3V3LV5V3V3LV5V.SchDoc
I2C_SCL_H
I2C_SDA_H
MCU_I2C_SCL
MCU_I2C_SDA
LVL_EN
ADC I2C Address:0x11
Leave the button in an accesible place to be pusshed from outside the case. A little hole in the case will be build to allow external user reset if something goes wrong.
Port control module—any enabled pin interrupt is capable of waking the system.
PIC7601
PIC7602 COC76
PIC7701
PIC7702 COC77
PID1101 PID1102 PID1103
PID1104 COD11
PIJ601 PIJ602
PIJ603 PIJ604
PIJ605 PIJ606
PIJ607 PIJ608
PIJ609 PIJ6010
COJ6
PIQ3501
PIQ3502
PIQ3503 COQ35
PIQ3601
PIQ3602
PIQ3603 COQ36
PIQ3701
PIQ3702
PIQ3703 COQ37
PIR14701
PIR14702 COR147
PIR14801
PIR14802 COR148
PIR14901
PIR14902 COR149
PIR15001 PIR15002 COR150
PIR15101 PIR15102 COR151
PIR15201 PIR15202 COR152
PIR15301 PIR15302 COR153
PIR15401 PIR15402 COR154
PIR15501 PIR15502 COR155
PIR15601
PIR15602
COR156 PIR15701
PIR15702
COR157 PIR15801
PIR15802
COR158
PIR15901 PIR15902 COR159
PIR16001 PIR16002 COR160
PIR16101
PIR16102
COR161
PIR16201 PIR16202 COR162
PIR16301
PIR16302
COR163
PISW101 PISW102
PISW103 PISW104
PISW105 PISW106
COSW1
PITP3901 COTP39 PITP4001 COTP40
PITP4101
COTP41
PITP4201 COTP42
PITP4301 COTP43
PITP4401 COTP44
PITP4601 COTP46 PITP4701
COTP47
PIU1901
PIU1902
PIU1903
PIU1904
PIU1905
PIU1906
PIU1907
PIU1908
PIU1909
PIU19010
PIU19011
PIU19012
PIU19013
PIU19014
PIU19015
PIU19016
PIU19017
PIU19018
PIU19019
PIU19020
PIU19021
PIU19022
PIU19023
PIU19024
COU19
NLBT0CS
NLBT0DFU NLBT0IRQ
NLBT0MISO NLBT0MOSI
NLBT0SCK NLBT0SWDIO0RST
NLBTN0ENC
NLBUZZ
NLCHG0ON
NLCURR0SNS
NLDC0GOOD
NLEN0BT0PWR
NLEN0CHG
NLEN0SNS0PWR
NLEN0UI0PWR
NLENC1 NLENC3
PIC7601
PIC7701
PIJ603
PIJ605
PIQ3502
PIQ3602
PIQ3702
PIR15602 PIR15702 PIR15802
PISW101
PISW103 PISW104
PISW105 PISW106
PIU1903
PIU19012
NLI2C0SCL0H
NLI2C0SDA0H
PIR16302 PIU1901
NLINT0IO0EXP
PIJ604
NLKL270SWD0CLK
NLLCD0CS
PIR15402
NLLCD0MISO
PIR15502
NLLCD0MOSI
NLLCD0RST
PIR15302
NLLCD0SCK
PIR15202
NLLED0BLUE
PIR15102
NLLED0GREEN
PIR15002
NLLED0RED
NLLVL0EN
PIU19022
NLMCU0I2C0SCL
PIU19023
NLMCU0I2C0SDA
PIU19015
NLN0EN0HT
PID1101 PIR14702
PID1102 PIR14802
PID1103 PIR14902
PIJ606
PIJ607 PIJ608
PIJ609
PIQ3501
PIR15001
PIR15601
PIQ3503 PIR14701
PIQ3601 PIR15101
PIR15701
PIQ3603
PIR14801
PIQ3701
PIR15201
PIR15801
PIQ3703
PIR14901
PIR15902 PITP4601 PIU19021
PIR16002 PITP4701 PIU1902
PIR16202 PISW102
PITP3901
PITP4001
PITP4101
PITP4201
PITP4301
PITP4401
PIU19018
PIU19019
PIU19020
PIC7602
PIJ6010
PIR16102 PIR16201
NLRST0K20D500B
NLS0ADC0INT
PIU1909
NLS0DPOT0
PIU1908
NLS0DPOT1
PIU1906
NLS0DPOT2
PIU1905
NLS0DPOT3
PIU1907
NLS0DPOT4
PIU19011
NLS0EN0CO
PIU1904
NLS0EN0COMB
PIU19010
NLS0EN0NO2
PIU19013
NLS0EN0O3
PIU19014
NLS0EN0PM205
PIU19017
NLS0EN0PM10
PIU19016
NLS0EN0PM100ILED
NLS0PM2050Vout1 NLS0PM2050Vout2
NLSCL0HT
PIR15301
NLSD0CLK NLSD0CS
PIR15501
NLSD0DIN
PIR15401
NLSD0DOUT
NLSD0R0CD
NLSDA0HT0ana
NLSDA0HT0PWM
PIJ602
NLSWD0DIO0TGTMCU
PIC7702
PID1104
PIJ601
PIR15901
PIR16001
PIR16101
PIR16301
PIU19024
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
2 *
PMICS
2 0
21/09/2016 18:28:05
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
VSYS
GND
GND GNDGND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
C6310u
GND
R137976k
GND
SW1
GND2EN3 FB 4
VOUT 5VIN6U16
MCP1623
EN1 FB 2
PG 3
VOUT 4
SW5
PGND6SGND7
VIN8U17
MCP1642B-ADJ
R142309k
GND
IN1
GND 2EN3
OUT 5U14
LP5907-3.3
IN1
GND 2EN3
OUT 5U15
LP5907-3.3
VCC
BT_3V3
UI_5V
SNS_5V
TP29
TP31
TP33
TP28
TP30
TP32
GND
EN_BT_PWR
EN_UI_PWR
EN_SNS_PWR
GND
GND
GND
L3
4.7u
R14110K
R13810K
R13610K
R13510K
R140976k
R139309k
L4
4.7u
C5610u
C5810u
C5910u
C6110u
C551u
C571u
C6010u
C6210u
10K pull down in enables. Most of the time, the system parts are going to be disabled, so a pull up is not efficient enought due to power consumption.
FW: At first boot, only VCC should be activated to allow the MCU run. Then it will enable rest of the components.
PIC5501
PIC5502 COC55
PIC5601
PIC5602 COC56
PIC5701
PIC5702 COC57
PIC5801
PIC5802 COC58
PIC5901
PIC5902 COC59
PIC6001
PIC6002 COC60
PIC6101
PIC6102 COC61
PIC6201
PIC6202 COC62
PIC6301
PIC6302 COC63
PIL301 PIL302
COL3
PIL401 PIL402
COL4
PIR13501
PIR13502
COR135
PIR13601
PIR13602
COR136
PIR13701
PIR13702
COR137
PIR13801
PIR13802
COR138 PIR13901
PIR13902
COR139
PIR14001
PIR14002
COR140
PIR14101
PIR14102
COR141 PIR14201
PIR14202
COR142
PITP2801
COTP28
PITP2901 COTP29
PITP3001
COTP30
PITP3101 COTP31
PITP3201
COTP32
PITP3301 COTP33
PIU1401
PIU1402 PIU1403
PIU1405
COU14
PIU1501
PIU1502 PIU1503
PIU1505
COU15
PIU1601
PIU1602
PIU1603 PIU1604
PIU1605 PIU1606
COU16
PIU1701 PIU1702
PIU1703
PIU1704
PIU1705
PIU1706
PIU1707
PIU1708
COU17
PIC5802 PIU1505
PIC5501 PIC5601
PIC5701 PIC5801
PIC5901 PIC6001
PIC6101 PIC6201 PIC6301
PIR13602
PIR13802 PIR13902
PIR14102 PIR14202
PIU1402
PIU1502
PIU1602
PIU1706
PIU1707
PIL301 PIU1601
PIL401 PIU1705
PIR13502 PIU1403
PIR13601 PITP2901 PIU1503 POEN0BT0PWR
PIR13702 PIR13901 PIU1604 PIR13801 PITP3101 PIU1603 POEN0UI0PWR
PIR14002 PIR14201 PIU1702 PIR14101 PITP3301 PIU1701 POEN0SNS0PWR
PIU1703
PIC6202 PIC6302 PIR14001
PITP3201 PIU1704
PIC6002 PIR13701
PITP3001 PIU1605
PIC5602
PITP2801 PIU1405
PIC5502
PIC5702
PIC5902
PIC6102
PIL302
PIL402
PIR13501 PIU1401
PIU1501
PIU1606
PIU1708
POEN0BT0PWR
POEN0SNS0PWR
POEN0UI0PWR
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
3 *
BATTERY CHARGER
3 0
21/09/2016 18:28:05
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
GND
GND GND GND GND
VBUS
GND
VSYS
GNDGND GND
VBAT
VCC
CHG_ON
DC_GOOD
GND
VSYS
R2646k4
R271k1
R28649
EN_CHG
CURR_SNS
TP4
GND GND
TP8TP6
TP7
TP5
GNDGND
(DNP)
R29
0
568-6822-1-NDD5
GND
CURR_SNS
SNS_N
SNS_P
VCC
U_FG_COULOMBFG_COULOMB.SchDoc
GND
VCCCE4
EN25 EN16
OUT 10
OUT 11IN13
EP17
TS 1
BAT 2
BAT 3
PGOOD 7
VSS8
CHG 9
ILIM12 TMR14
TD15
ISET16
U3
BQ24072
123
M
J4
S3B-XH-SM4-TB
R20220
R21220
R2310K
R2410K
R2510K
R22
10K
R3010K
R_LD1G_LD1
C1310u
C1410u
C1010u
GND
C1110u
C1510u
C12100n
490-3996-1-ND
L1
GNDGND
5V
D-
D+
ID
G
1234
S2
5
S1 S3S4
S5
S6
J3USB_Micro_Type_B
490-3996-1-NDL2
CHG CONFIGURATION:
* Fast Charge Current Iset = 649 ohm -> 1371 mA
* Max Input CurrentRIlim = 1k1 -> 1500 mA
* Charge TimeoutRTMR = 46k4 -> 6.25 hours
* NO NTC RNTC -> 10k instead
Pull up to VCC (3V3)VCC power line is always on because the linear regulator is always on.
2V drop in forward voltage(3.3V - 2V)/220 = 6 mA
PIC1001
PIC1002 COC10
PIC1101
PIC1102 COC11
PIC1201
PIC1202 COC12
PIC1301
PIC1302 COC13
PIC1401
PIC1402 COC14
PIC1501
PIC1502 COC15
PID50A
PID50K COD5
PIG0LD10A PIG0LD10K COG0LD1
PIJ301
PIJ302
PIJ303
PIJ304
PIJ305
PIJ30S1
PIJ30S2
PIJ30S3
PIJ30S4
PIJ30S5
PIJ30S6
COJ3
PIJ401
PIJ402
PIJ403
PIJ40M
COJ4
PIL101 PIL102
COL1
PIL201
PIL202
COL2
PIR2001
PIR2002 COR20
PIR2101
PIR2102 COR21
PIR2201 PIR2202 COR22 PIR2301
PIR2302
COR23 PIR2401
PIR2402
COR24 PIR2501
PIR2502
COR25
PIR2601
PIR2602
COR26 PIR2701
PIR2702
COR27 PIR2801
PIR2802
COR28 PIR2901 PIR2902
COR29
PIR3001
PIR3002
COR30
PIR0LD10A PIR0LD10K COR0LD1
PITP401 COTP4
PITP501 COTP5
PITP601
COTP6 PITP701
COTP7 PITP801 COTP8
PIU301
PIU302
PIU303
PIU304
PIU305
PIU306
PIU307
PIU308
PIU309
PIU3010
PIU3011
PIU3012
PIU3013
PIU3014
PIU3015
PIU3016
PIU3017
COU3
POCURR0SNS
PIC1001 PIC1101 PIC1201
PIC1301 PIC1401
PIC1501
PID50A PIJ305
PIJ403
PIJ40M
PIL202
PIR2302 PIR2402 PIR2502
PIR2602 PIR2702 PIR2802
PIR3002
PIU308
PIU3017
PIC1502
PIU302
PIU303
PID50K PIJ301 PIL102
PIG0LD10A PIR2001
PIG0LD10K
PIU307
POCHG0ON
PIJ302
PIJ303
PIJ304
PIJ30S1
PIJ30S2
PIJ30S3
PIJ30S4
PIJ30S5
PIJ30S6
PIL201
PIJ402 PIR2901
PIR2101
PIR0LD10A
PIR2202 PITP801 PIU305 PIR2301
PITP501 PIU304 POEN0CHG
PIR2401 PITP601 PIU3015
PIR2501 PITP701 PIU306
PIR2601
PIU3014
PIR2701
PIU3012
PIR2801
PIU3016
PIR2902
PIR3001
PIU301
PIR0LD10K
PIU309
PODC0GOOD
PIJ401
PIC1002 PIC1102 PIC1202
PIL101
PIU3013
PIR2002 PIR2102
PIC1302 PIC1402
PIR2201
PITP401
PIU3010
PIU3011
POCHG0ON
POCURR0SNS
PODC0GOOD
POEN0CHG
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
4 *
FQ_COULOMB
4 0
21/09/2016 18:28:05
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
VCC
GND
GND
GND
CURR_SNS
GND
R13100
1W1%50ppm/ºC
R15
0.01SNS_NSNS_P
TP1
TP2
GND
R120R
VCC VCC
R14100
C5
100n
C6
100n
C7
100n
C4100n
SH
UN
T_P
SH
UN
T_N
OUT1
GND2
IN+3 IN- 4
V+ 5
U1
INA195
PCB: Differential pair for differential voltage measurement over shunt resistor.
PCB: DO NOT FORGET KELVIN UNION
PCB: Near to IC
PIC401
PIC402 COC4
PIC501 PIC502
COC5
PIC601 PIC602
COC6
PIC701 PIC702
COC7
PIR1201
PIR1202
COR12
PIR1301
PIR1302 COR13
PIR1401
PIR1402 COR14
PIR1501 PIR1502 COR15
PITP101 COTP1
PITP201 COTP2
PIU101
PIU102
PIU103 PIU104
PIU105
COU1
PIC401
PIC501 PIC602
PIU102
POGND
PIC402
PIR1202
PITP201 PIU105
PIR1301
PIR1501 POSNS0P
PIR1401
PIR1502 POSNS0N
PITP101
PIU101
POCURR0SNS
PIC601
PIC701
PIR1402
PIU104
NLSHUNT0N
PIC502
PIC702
PIR1302
PIU103
NLSHUNT0P
PIR1201
POVCC
POCURR0SNS
POGND
POSNS0N POSNS0P
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
5 *
SOC_KL27
5 0
21/09/2016 18:28:05
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
VCC
GND
C66100n
VCC
GND GND
GND
SWD_DIO_TGTMCU
RST_K20D50_B
MM3Z3V3T1GOSCT-ND
(DNP)
D10
Zener3V3
KL27_SWD_CLK
TP37TP38
TP35
SWD_DIO_TGTMCU
RST_K20D50_B
1
3GND4
GND 2
Y1ABM8G-24.000MHZ-18-D2Y-T
C7430p
GND GND
EXTAL
XTAL
XTALEXTAL
PRG_DIO
PRG_CLK
PRG_RST
KL27_SWD_CLK
I2C_SDA
I2C_SCL
ADC_1
ADC_0
SPI0_MISO
SPI0_MOSI
SPI1_MISO
SPI1_MOSI
PWM_LED_GREENPWM_LED_RED
PWM_LED_BLUE
PWM_LED_RED
PWM_LED_GREEN
PWM_LED_BLUE
PWM_LED_GREEN
PWM_LED_RED
PWM_LED_BLUE
SPI0_PCS0SPI0_SCK
I2C_SCLI2C_SDA
SPI0_MISOSPI0_MOSI
SPI1_PCS0SPI1_SCK
SPI1_MISOSPI1_MOSI
SPI0_SCK
SPI0_PCS0
SPI1_SCK
SPI1_PCS0
SPI2_PCS0SPI2_SCK
SPI2_MISOSPI2_MOSI
PWM_BUZZ
BUZZER PWM_BUZZ
PTC0
PTE0
PTA1PTA2
PTA4-NMIPTA5
PTB2PTB3PTB16PTB17
PTC1-LLWUPTC2PTC3
PTC8PTC9PTC10PTC11
PTE1
PTE23PTE24PTE25PTE29PTE30PTE31
SPI0_PCS0
SPI0_SCK
SPI0_MISO
SPI0_MOSI
PTC0
PTC1-LLWU
PTC2
PTC3
PTC8
PTC9
PTC10
PTC11
I2C_SCL
I2C_SDA
SPI1_PCS0
SPI1_SCK
SPI1_MISO
SPI1_MOSI
SPI2_PCS0
SPI2_SCK
SPI2_MISO
SPI2_MOSI
SPI2_MISO
SPI2_MOSI
SPI2_SCK
SPI2_PCS0
ADC_1
ADC_0
PTE0
PTE21
PTE1
PTE23
PTE24
PTE25
PTE29
PTE30
PTE31
ADC_CH0
ADC_CH1
PTA1
PTA2
PTA4-NMI
PTA5
PTB2
PTB3
PTB16
PTB17
PTC0
PTC1-LLWU
PTC2
PTC3
PTC8
PTC9
PTE0
PTE1
PTE21
PTE23
PTE24
PTE25
PTE29
PTE30
PTE31
PTA1
PTA2
PTA4-NMI
PTA5
PTB2
PTB3
PTB16
PTB17
PTC10
PTC11
(DNP)
R146
0R
(DNP)
R145
0R
VCC
TP36
490-3996-1-ND
L5
C7530p
C70100n
C68100n
C71100n
C73100n
490-3996-1-ND
L6
C651u
C671u
C691u
PTE21
TP34
C72
1uGND
PTA0/SWD_CLK/TPM0_CH522
PTA1/UART0_RX/TPM2_CH023PTA2/UART0_TX/TPM2_CH124
PTA3/SWD_DIO/I2C1_SCL/TPM0_CH025
PTA4/NMI_b/I2C1_SDA/TPM0_CH126PTA5/USB_CLKIN/TPM0_CH2/I2S0_TX_BCLK27
PTA12/TPM1_CH0/I2S0_TXD028
PTA13/TPM1_CH1/I2S0_TX_FS29PTA18/EXTAL0/UART1_RX/TPM_CLKIN032
PTA19/XTAL0/UART1_TX/TPM_CLKIN1/LPTMR0_ALT133
PTA20/RST_b34
PTB0/LLWU_P5/ADC_SE8/I2C0_SCL/TPM1_CH035
PTB1/ADC0_SE9/I2C0_SDA/TPM1_CH136PTB2/ADC0_SE12/I2C0_SCL/TPM2_CH037
PTB3/ADC0_SE13/I2C0_SDA/TPM2_CH138
PTB16/SPI1_MOSI/UART0_RX/TPM_CLKIN0/SPI1_MISO39PTB17/SPI1_MISO/UART0_TX/TPM_CLKIN1/SPI1_MOSI40
PTB18/TPM2_CH0/I2S0_TX_BCLK41
PTB19/TPM2_CH1/I2S0_TX_FS42
U18A
MKL27Z256VLH4_64LQFP
PTC0/ADC0_SE14/EXTRG_IN/audioUSB_SOF_OUT/CMP0_OUT/I2S0_TXD043
PTC1/LLWU_P6/RTC_CLKIN/ADC0_SE15/I2C1_SCL/TPM0_CH0/I2S0_TXD044
PTC2/ADC0_SE11/I2C1_SDA/TPM0_CH1/I2S0_TX_FS45PTC3/LLWU_P77SPI1_SCK/UART1_RX/TPM0_CH2/CLKOUT/I2S0_TX_BCLK46
PTC4/LLWU_P8/SPI0_SS/UART1_TX/TPM0_CH3/I2S0_MCLK49
PTC5/LLWU_P9/SPI0_SCK/LPTMR0_ALT2/I2S0_RXD0/CMP0_OUT50PTC6/LLWU_P10/CMP0_IN0/SPI0_MOSI/EXTRG_IN/I2S0_RX_BCLK/SPI0_MISO/I2S0_MCLK51
PTC7/CMP0_IN1/SPI0_MISO/audioUSB_SOF_OUT/I2S0_RX_FS/SPI0_MOSI52
PTC8/CMP0_IN2/I2C0_SCL/TPM0_CH4/I2S0_MCLK53PTC9/CMP0_IN3/I2C0_SDA/TPM0_CH5/I2S_RX_BCLK54
PTC10/I2C1_SCL/I2S0_RX_FS55
PTC11/I2C1_SDA/I2S0_RXD056
PTD0/SPI0_SS/TPM0_CH0/FXIO0_D057
PTD1/ADC0_SE5b/SPI0_SCK/TPM0_CH1/FXIO0_D158PTD2/SPI0_MOSI/UART2_RX/TPM0_CH2/SPI0_MISO/FXIO0_D259
PTD3/SPI0_MISO/UART2_TX/TPM0_CH3/SPI0_MOSI/FXIO0_D360
PTD4/LLWU_P14/SPI1_SS/UART2_RX/TPM0_CH4/FXIO0_D461PTD5/ADC0_SE6b/SPI1_SCK/UART2_TX/TPM0_CH5/FXIO0_D562
PTD6/LLWU_P15/ADC0_SE7b/SPI1_MOSI/UART0_RX/SPI1_MISO/FXIO0_D663
PTD7/SPI1_MISO/UART0_TX/SPI1_MOSI/FXIO0_D764
U18B
MKL27Z256VLH4_64LQFP
PTE0/CLKOUT32K/SPI1_MISO/UART1_TX/RTC_CLKOUT/CMP0_OUT/I2C1_SDA1
PTE1/SPI1_MOSI/UART1_RX/SPI1_MISO/I2C1_SCL2
USB0_DP5
USB0_DM6
PTE20/ADC0_DP0/TPM1_CH0/UART0_TX/FXIO0_D49PTE21/ADC0_DM0/TPM1_CH1/UART0_RX/FXIO_D510
PTE22/ADC0_DP3/TPM2_CH0/UART2_TX/FXIO0_D611
PTE23/ADC0_DM3/TPM2_CH1/UART2_RX/FXIO0_D712
PTE29/CMP0_IN5/TPM0_CH2/TPM_CLKIN017PTE30/DAC0_OUT/ADC0_SE23/CMP0_IN4/TPM0_CH3/TPM_CLKIN1/UART1_TX/LPTMP0_ALT118
PTE31/TPM0_CH419
PTE24/TPM0_CH0/I2C0_SCL20
PTE25/TPM0_CH1/I2C0_SDA21
U18C
MKL27Z256VLH4_64LQFP
VDD3
VSS4
VOUT337
VREGIN8
VDDA13
VREFH14
VREFL15
VSSA16
VDD30
VSS31
VSS47
VDD48
U18D
MKL27Z256VLH4_64LQFP
If the USB module is not used:* (USB0_DP, USB0_DM) floating* Connect USB_VDD to ground through a 10KΩ
TP FOR AREFIF NEEDED
18pF load capacitance.30pF -> 15pF(series) + 3pF(Cstray) = 18pF
PIC6501
PIC6502 COC65
PIC6601
PIC6602 COC66
PIC6701
PIC6702 COC67
PIC6801
PIC6802 COC68
PIC6901
PIC6902 COC69
PIC7001
PIC7002 COC70
PIC7101
PIC7102 COC71
PIC7201 PIC7202
COC72
PIC7301
PIC7302 COC73
PIC7401
PIC7402 COC74
PIC7501
PIC7502 COC75
PID100A PID100k
COD10
PIL501 PIL502
COL5
PIL601 PIL602
COL6
PIR14501 PIR14502 COR145
PIR14601 PIR14602 COR146
PITP3401 COTP34
PITP3501
COTP35
PITP3601 COTP36
PITP3701 COTP37
PITP3801 COTP38
PIU18022
PIU18023
PIU18024
PIU18025
PIU18026
PIU18027
PIU18028
PIU18029
PIU18032
PIU18033
PIU18034
PIU18035
PIU18036
PIU18037
PIU18038
PIU18039
PIU18040
PIU18041
PIU18042
COU18A
PIU18043
PIU18044
PIU18045
PIU18046
PIU18049
PIU18050
PIU18051
PIU18052
PIU18053
PIU18054
PIU18055
PIU18056
PIU18057
PIU18058
PIU18059
PIU18060
PIU18061
PIU18062
PIU18063
PIU18064
COU18B
PIU1801
PIU1802
PIU1805
PIU1806
PIU1809
PIU18010
PIU18011
PIU18012
PIU18017
PIU18018
PIU18019
PIU18020
PIU18021
COU18C
PIU1803
PIU1804
PIU1807
PIU1808
PIU18013
PIU18014
PIU18015
PIU18016
PIU18030
PIU18031
PIU18047
PIU18048
COU18D
PIY101 PIY102
PIY103 PIY104
COY1
PIU1809
NLADC00 POADC0CH0
PIU18011
NLADC01 POADC0CH1
PIC7402
PIU18032
PIY101
NLEXTAL
PIC6501 PIC6601 PIC6701 PIC6801 PIC6901 PIC7001
PIC7101
PIC7202
PIC7301
PIC7401 PIC7501
PID100A
PIL602
PIU1804
PIU18015
PIU18031
PIU18047
PIY102
PIY104
PIU18035
NLI2C0SCL POI2C0SCL
PIU18036
NLI2C0SDA POI2C0SDA
PIU18022
NLKL270SWD0CLK POPRG0CLK
PIC7201 PITP3401 PIU1807
PIC7302 PID100k PIR14501
PIR14601
PIU18014
PIL501 PIU18013
PIL601 PIU18016
PIR14602 PITP3601
PITP3501 PIU1808
PITP3701 PIU1805
PITP3801 PIU1806
PIU18023
NLPTA1 POPTA1
PIU18024
NLPTA2 POPTA2
PIU18026
NLPTA40N\M\I\ POPTA40N\M\I\
PIU18027
NLPTA5 POPTA5
PIU18037
NLPTB2 POPTB2
PIU18038
NLPTB3 POPTB3
PIU18039
NLPTB16 POPTB16
PIU18040
NLPTB17 POPTB17
PIU18043
NLPTC0 POPTC0
PIU18044
NLPTC10LLWU POPTC10LLWU
PIU18045
NLPTC2 POPTC2
PIU18046
NLPTC3 POPTC3
PIU18053
NLPTC8 POPTC8
PIU18054
NLPTC9 POPTC9
PIU18055
NLPTC10 POPTC10
PIU18056
NLPTC11 POPTC11
PIU1801
NLPTE0 POPTE0
PIU1802
NLPTE1 POPTE1
PIU18010
NLPTE21 POPTE21
PIU18012
NLPTE23 POPTE23
PIU18020
NLPTE24 POPTE24
PIU18021
NLPTE25 POPTE25
PIU18017
NLPTE29 POPTE29
PIU18018
NLPTE30 POPTE30
PIU18019
NLPTE31 POPTE31
PIU18028
NLPWM0BUZZ POBUZZER
PIU18029
NLPWM0LED0BLUE POPWM0LED0BLUE
PIU18042
NLPWM0LED0GREEN POPWM0LED0GREEN
PIU18041
NLPWM0LED0RED POPWM0LED0RED
PIU18034
NLRST0K20D500B POPRG0RST
PIU18052
NLSPI00MISO POSPI00MISO
PIU18051
NLSPI00MOSI POSPI00MOSI
PIU18049
NLSPI00PCS0 POSPI00PCS0
PIU18050
NLSPI00SCK POSPI00SCK
PIU18064
NLSPI10MISO POSPI10MISO
PIU18063
NLSPI10MOSI POSPI10MOSI
PIU18061
NLSPI10PCS0 POSPI10PCS0
PIU18062
NLSPI10SCK POSPI10SCK
PIU18060
NLSPI20MISO POSPI20MISO
PIU18059
NLSPI20MOSI POSPI20MOSI
PIU18057
NLSPI20PCS0 POSPI20PCS0
PIU18058
NLSPI20SCK POSPI20SCK
PIU18025
NLSWD0DIO0TGTMCU POPRG0DIO
PIC6502 PIC6602 PIC6702 PIC6802 PIC6902 PIC7002
PIC7102 PIL502
PIR14502
PIU1803
PIU18030
PIU18048
PIC7502
PIU18033
PIY103
NLXTAL
POADC0CH0
POADC0CH1
POBUZZER
POI2C0SCL
POI2C0SDA
POPRG0CLK
POPRG0DIO
POPRG0RST
POPTA1
POPTA2
POPTA40N\M\I\
POPTA5
POPTB2
POPTB3
POPTB16
POPTB17
POPTC0
POPTC10LLWU
POPTC2
POPTC3
POPTC8
POPTC9
POPTC10
POPTC11
POPTE0
POPTE1
POPTE21
POPTE23
POPTE24
POPTE25
POPTE29
POPTE30
POPTE31
POPWM0LED0BLUE
POPWM0LED0GREEN
POPWM0LED0RED
POSPI00MISO
POSPI00MOSI
POSPI00PCS0
POSPI00SCK
POSPI10MISO
POSPI10MOSI
POSPI10PCS0
POSPI10SCK
POSPI20MISO
POSPI20MOSI
POSPI20PCS0
POSPI20SCK
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
6 *
TEMP_HUM
6 0
21/09/2016 18:28:05
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
GND
GND
N_EN_HT
VCC
SCL_HT
SDA_HT_ANA
3
1
2Q7
P-CH
VCC
VCC
VCC
GNDSDA 1VSS 2NC 3NC4
VDD5
SCL6
U2
SHT21P
TP3
(DNP)
R180
(DNP)
R170 GND
GNDSDA_HT_PWM
R1668K
R19
10K
C8100n
C9100n
SEL_HT
DATA_HT
DATA_HT_PWM
This is NOT I2C - Refer to datasheetThe TX data is over 120HzMax DC current in SDA is 40uASwitch RH/T on SDA: * SCL up = RH * SCL down = T
WARNING!!!ACTIVE LOW ENABLE PIN
PWM 120HzRC filter 160HzSimular comportamiento en caso peor.C = 100nFR = 10KTo MCU ADC CH
PIC801
PIC802 COC8
PIC901
PIC902 COC9
PIQ701
PIQ702 PIQ703
COQ7
PIR1601
PIR1602
COR16
PIR1701
PIR1702
COR17 PIR1801
PIR1802
COR18
PIR1901 PIR1902 COR19
PITP301 COTP3
PIU201
PIU202
PIU203 PIU204
PIU205
PIU206
COU2
PIC902 PIR1901 PITP301 NLDATA0HT POSDA0HT0ANA
PIR1802
PIR1902
PIU201
NLDATA0HT0PWM POSDA0HT0PWM
PIC801
PIC901
PIU202
POGND
PIC802
PIQ703
PIU205
PIQ701
PIR1602
PON0EN0HT PIU203 PIU204
PIR1702
PIU206
NLSEL0HT POSCL0HT
PIQ702
PIR1601
PIR1701 PIR1801
POVCC
POGND
PON0EN0HT
POSCL0HT
POSDA0HT0ANA
POSDA0HT0PWM
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
7 *
LCD_SDCARD_BUTTON
7 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
LCD_SDA_HLCD_CS
CNTRST
UI_5V
GND
GND GND
BUZZER
LCD_RST_H
LCD_SCK_H
SD_R_CDSD_DOUT_H
RST_BUTBTN_ENC
SD_DIN_HENC1
SD_CSSD_CLK_H
ENC3
LCD_MOSI
LCD_CS
LCD_SCK
LCD_RST
BUZZ
SD_CLK
SD_CS
SD_DIN
SD_DOUT
SD_R_CD
BTN_ENC
ENC3
BTN_ENC
ENC3
ENC1
SD_DIN
LCD_SDA
SD_CLK
SD_DOUT
SD_R_CD
LCD_RST
LCD_SCK
GND
R465K49
GND
GND
GND
GND
GND
GND
UI_5VVCC
LCD_SDALCD_RST
LCD_SCK
SD_DIN
SD_CLKSD_DOUT
LCD_SDA_HLCD_RST_H
LCD_SCK_H
SD_DIN_H
SD_CLK_HSD_DOUT_H
UI_5V
LCD_CS
LVL_EN LVL_OE
LVL_OE
GND
GND GND
TP23
TP21
TP24
TP25
TP19
GND
GND
VCC
VCC
UI_5V
UI_5V
VCC
UI_5V
UI_5V
GND
568-6822-1-NDD7
568-6822-1-NDD8
568-6822-1-NDD6
568-6822-1-NDD9
ENC1
1 235
46
79
810
11 1213 1415 1617 1819 20
S2011EC-10-ND
J5
2x10 pin Header 2.54mm
VCC
GND
(DNP)
R450R
GND
3
1
2
Q8N-CH
GNDGND
LCD_CS
UI_5V
SD_CS
TP22
3
1
2
Q9N-CH
GNDGND
BUZZER
SD_CS
TP20
R4168K
R3768K
R3668K
R3510K
R3910K
R4410K
R4310K
R4710K
R4010K
R425K49
R38100K
GND GND
C2010u
C22100n
C18100n
C17100n
C21100n
OE10B1 20
B2 18B3 17
B4 16
B5 15B6 14
B7 13
VCCA2
GN
D11
VCCB 19
A11
A23A34
A45
A56A67
A78A89 B8 12
U5
C19100n
(VCCA ≤ VCCB)
Pull Down > 50K
PIC1701
PIC1702 COC17
PIC1801
PIC1802 COC18
PIC1901
PIC1902 COC19
PIC2001
PIC2002 COC20
PIC2101
PIC2102 COC21
PIC2201
PIC2202 COC22
PID60A
PID60K COD6
PID70A
PID70K COD7
PID80A
PID80K COD8
PID90A
PID90K COD9
PIJ501 PIJ502
PIJ503 PIJ504
PIJ505 PIJ506
PIJ507 PIJ508
PIJ509 PIJ5010
PIJ5011 PIJ5012
PIJ5013 PIJ5014
PIJ5015 PIJ5016
PIJ5017 PIJ5018
PIJ5019 PIJ5020
COJ5
PIQ801
PIQ802
PIQ803 COQ8
PIQ901
PIQ902
PIQ903 COQ9
PIR3501
PIR3502
COR35
PIR3601
PIR3602
COR36
PIR3701
PIR3702
COR37
PIR3801
PIR3802
PIR3803 COR38 PIR3901
PIR3902
COR39 PIR4001
PIR4002
COR40
PIR4101
PIR4102
COR41
PIR4201
PIR4202
COR42
PIR4301
PIR4302
COR43
PIR4401
PIR4402
COR44
PIR4501
PIR4502 COR45
PIR4601
PIR4602
COR46
PIR4701
PIR4702
COR47
PITP1901 COTP19
PITP2001 COTP20
PITP2101 COTP21 PITP2201
COTP22 PITP2301
COTP23
PITP2401 COTP24
PITP2501 COTP25
PIU501
PIU502
PIU503
PIU504
PIU505
PIU506
PIU507
PIU508
PIU509
PIU5010
PIU5011 PIU5012
PIU5013
PIU5014
PIU5015
PIU5016
PIU5017
PIU5018
PIU5019
PIU5020
COU5
PIJ509
PIQ803
PIR3502 PITP1901
NL\LCD0CS
PIJ5013
PIQ903
PIR3902 PITP2201
NL\SD0CS
PIC2102 PID70K
PIJ504
PIR4002 PITP2101
NLBTN0ENC
POBTN0ENC
PIJ5020
PITP2001
NLBUZZER
POBUZZ
PIJ501
PIR3802
PITP2301
NLCNTRST
PID80K
PIJ5017
PIR4202 PIR4301
PITP2401
NLENC1
POENC1
PID90K
PIJ505
PIR4602 PIR4701
PITP2501
NLENC3
POENC3
PIC1701 PIC1801
PIC1901 PIC2001
PIC2101
PIC2201
PID60A
PID70A
PID80A
PID90A
PIJ503
PIJ5010
PIJ5015
PIJ5018
PIQ802
PIQ902
PIR3602
PIR3702
PIR3801
PIR4102
PIR4302
PIR4501
PIR4702
PIU5011
POGND
PIQ801 PIR3601 NLLCD0CS
POLCD0CS PIU504
NLLCD0RST POLCD0RST
PIJ5012
PIU5017
NLLCD0RST0H
PIU501
NLLCD0SCK POLCD0SCK
PIJ508
PIU5020
NLLCD0SCK0H
PIU503
NLLCD0SDA POLCD0MOSI
PIJ507
PIU5018
NLLCD0SDA0H
PIR3701
PIU5010 NLLVL0OE
POLVL0EN
PIU508
PIU509 PIU5012
PIU5013
PIJ506 NLRST0BUT
PIU505
NLSD0CLK POSD0CLK
PIJ5011
PIU5016
NLSD0CLK0H
PIQ901 PIR4101 NLSD0CS POSD0CS
PIU507
NLSD0DIN POSD0DIN
PIJ5019
PIU5014
NLSD0DIN0H
PIU506
NLSD0DOUT POSD0DOUT
PIJ5014
PIU5015
NLSD0DOUT0H
PIC2202
PIJ5016
PIR4402 PIR4502
NLSD0R0CD
POSD0R0CD
PIC1802
PIC1902 PIC2002 PID60K
PIJ502
PIR3501
PIR3803 PIR3901
PIR4201
PIR4601
PIU5019
POUI05V
PIC1702
PIR4001
PIR4401
PIU502
POVCC
POBTN0ENC
POBUZZ
POENC1
POENC3
POGND
POLCD0CS
POLCD0MOSI
POLCD0RST
POLCD0SCK
POLVL0EN
POSD0CLK
POSD0CS
POSD0DIN
POSD0DOUT
POSD0R0CD
POUI05V
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
8 *
BLE
8 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
GND
GND
GND
GND
TP10TP9
GND GND
CONNECTEDMODE
TP12
SWCLKSWDIO/RST_3VFACTORYRST
GND
SCKMISOMOSI
IRQCS
CS_IN
GND
DFUTP18
BT_SCK
BT_MISO
BT_MOSI
BT_IRQ
SCK
MISO
MOSI
IRQ
BT_SWDIO/RST SWDIO/RST_3V
CS
TP17
TP14TP13TP11
TP15TP16
BT_3V3
BT_3V3
GND
GND
BT_3V3
BT_3V3
R334K7
R344K7
R31820
R32820
G_LD2R_LD2
C161u
GND11GND22
AVDD3P0.214
P0.225P0.236
P0.247P0.258
P0.2811XL29
XL110
P0.2912
P0.3
016
GN
D3
13V
DD
14
DC
C15
P0.0
017
P0.0
118
P0.0
219
P0.0
320
P0.0
421
P0.0
522
P0.0
623
P0.0
724
GN
D4
25
P0.08 26P0.09 27P0.10 28P0.11 29P0.12 30P0.13 31P0.14 32P0.15 33P0.16 34SWDIO 35SWCLK 36P0.17 37P0.18 38P0.19 39P0.20 40DEC2 41GND5 42
U4
MDBT40-P256
PIC1601
PIC1602 COC16
PIG0LD20A PIG0LD20K COG0LD2
PIR3101
PIR3102
COR31 PIR3201
PIR3202
COR32
PIR3301
PIR3302
COR33 PIR3401
PIR3402
COR34
PIR0LD20A PIR0LD20K COR0LD2
PITP901 COTP9
PITP1001 COTP10
PITP1101 COTP11
PITP1201 COTP12
PITP1301 COTP13
PITP1401 COTP14
PITP1501 COTP15
PITP1601 COTP16
PITP1701 COTP17
PITP1801 COTP18
PIU401
PIU402
PIU403
PIU404
PIU405
PIU406
PIU407
PIU408
PIU409
PIU4010
PIU4011
PIU4012
PIU4013 PIU4014 PIU4015 PIU4016 PIU4017 PIU4018 PIU4019 PIU4020 PIU4021 PIU4022 PIU4023 PIU4024 PIU4025
PIU4026
PIU4027
PIU4028
PIU4029
PIU4030
PIU4031
PIU4032
PIU4033
PIU4034
PIU4035
PIU4036
PIU4037
PIU4038
PIU4039
PIU4040
PIU4041
PIU4042
COU4
PIC1602
PIR3301 PIR3401
PITP1701
PIU403
PIU4014
POBT03V3
PIR3201
PIU4039 NLCONNECTED
PIR3402
PITP1501 PIU407 NLCS
POCS0IN
PITP1201 PIU4034 NLFACTORYRST
PIC1601
PIG0LD20K PIR0LD20K
PIU401
PIU402
PIU4013 PIU4016 PIU4025
PIU4042
POGND
PITP1601 PIU408
NLIRQ POBT0IRQ
PITP1301 PIU405
NLMISO POBT0MISO
PIR3101
PIU4038 NLMODE
PITP1401 PIU406
NLMOSI POBT0MOSI
PIG0LD20A
PIR3202 PIR3102
PIR0LD20A
PITP1801
PIU4024
PODFU
PIU409
PIU4010
PIU4011
PIU4012
PIU4015 PIU4017 PIU4018 PIU4019 PIU4020 PIU4021 PIU4022 PIU4023
PIU4026
PIU4027
PIU4028
PIU4029
PIU4030
PIU4031
PIU4032
PIU4033
PIU4037
PIU4040
PIU4041
PITP1101 PIU404
NLSCK POBT0SCK
PITP901 PIU4036 NLSWCLK
PIR3302
PITP1001 PIU4035 NLSWDIO0RST03V
POBT0SWDIO0RST
POBT03V3
POBT0IRQ
POBT0MISO
POBT0MOSI
POBT0SCK
POBT0SWDIO0RST
POCS0IN
PODFU
POGND
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
9 *
I2C_LVLTRANS
9 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
SDA_L
SCL_L
3
1
2
Q15N-CH
3
1
2
Q16N-CH
SDA_H
SCL_H
R604K7
SNS_5VVCC
R614K7
R624K7
R634K7
Based on NXP application note for I2C bus level translationPIQ1501
PIQ1502 PIQ1503
COQ15
PIQ1601
PIQ1602 PIQ1603
COQ16
PIR6001
PIR6002
COR60 PIR6101
PIR6102
COR61 PIR6201
PIR6202
COR62 PIR6301
PIR6302
COR63
PIQ1502
PIR6002
POSDA0L PIQ1503
PIR6302
POSDA0H
PIQ1602
PIR6102
POSCL0L PIQ1603
PIR6202
POSCL0H
PIR6201 PIR6301
PIQ1501
PIQ1601
PIR6001 PIR6101
POSCL0H POSCL0L
POSDA0H POSDA0L
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
10 *
SENS_ADC
10 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
VS_O3EN_O3SNS_5VGND
U_MICS_2614_O3MICS_2614_O3.SchDoc
SNS_5VGND
VS_NO2EN_NO2
U_MICS_2714_NO2MICS_2714_NO2.SchDoc
VS_CO_CEN_COMBVS_NO2_CSNS_5V
GND
U_MICS_4514_CO_NO2MICS_4514_CO_NO2.SchDoc
VS_COEN_COSNS_5VGND
U_MICS_5524_COMICS_5524_CO.SchDoc
GND
GND
GND
GND
GND
SNS_5VSNS_5V
GND
SNS_5V
SNS_5V
SNS_5V
SNS_5V
GND
S_EN_O3
S_EN_NO2
S_EN_CO
S_EN_COMB
VCC
VCC
S_EN_PM10
S_EN_PM10_ILED
S_EN_PM2.5
VCC
SNS_5V
GND S_ADC_INT
S_ADC_SCL
S_ADC_SDA
SNS_5V
S_PM2.5_Vout1
S_PM2.5_Vout2
EN_PM10PM10_ILED
PM10_VOUT
EN_PM2.5PM2.5_Vout1
GND
VCCSNS_5V
PM2.5_Vout2
U_PM_SENSORSPM_SENSORS.SchDoc
SNS_5V
GND
DPOT_SCLdpot_SDA
RPOT_B_INRPOT_A_IN
SEL_POTSEL_POT+270KSEL_POT+810KSEL_POT+1080KSEL_POT+540K
SNS_5VGND
VCC
U_SELECTABLE_RESISTORSELECTABLE_RESISTOR.SchDoc
(DNP)
R143
0
(DNP)
R144
0
SNS_5VVCC
GND
S_DPOT_SCL
S_DPOT_SDA
S_DPOT0
S_DPOT1
S_DPOT2
S_DPOT3
S_DPOT4
GND
ADC_INT
SNS_0SNS_1SNS_2SNS_3SNS_4SNS_5SNS_6SNS_7
ADC_SCLADC_SDA
SNS_5VVCC
U_ADC_8CHADC_8CH.SchDoc
VCC
C6410u
10uF Bulk capacitor for all sensors.Take into account the voltage reference for each signal.
PIC6401
PIC6402 COC64
PIR14301 PIR14302 COR143
PIR14401 PIR14402 COR144
POS0ADC0INT
POS0ADC0SCL
POS0ADC0SDA
POS0DPOT0SCL
POS0DPOT0SDA
POS0EN0CO
POS0EN0COMB
POS0EN0NO2
POS0EN0O3
POS0EN0PM205
POS0EN0PM10
PIC6401
POGND
PIR14301 PIR14302
PIR14401 PIR14402
POS0PM2050Vout1
POS0PM2050Vout2
POS0EN0PM100ILED
POS0DPOT0
POS0DPOT1
POS0DPOT4
POS0DPOT2
POS0DPOT3 PIC6402
POSNS05V
POVCC
POGND
POS0ADC0INT
POS0ADC0SCL
POS0ADC0SDA
POS0DPOT0
POS0DPOT1
POS0DPOT2
POS0DPOT3
POS0DPOT4
POS0DPOT0SCL
POS0DPOT0SDA
POS0EN0CO
POS0EN0COMB
POS0EN0NO2
POS0EN0O3
POS0EN0PM205
POS0EN0PM10
POS0EN0PM100ILED
POS0PM2050VOUT1
POS0PM2050VOUT2
POSNS05V
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
11 *
ADC_8CH
11 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
GND
GND
SNS_5V
GND
ADC_INT
SNS_5V
SNS_0
SNS_1
SNS_2
SNS_3
SNS_4
SNS_5
SNS_6
SNS_7
GND
GND
GND
GND
SNS_5V
SNS_5V
SNS_5V
SNS_5V SNS_5V
SNS_5V SNS_5V
GND GND
GND GND
C362.2n
GND GND
SNS_FILT_0
SNS_FILT_1
SNS_FILT_2
SNS_FILT_3
SNS_FILT_4
SNS_FILT_5
SNS_FILT_6
SNS_FILT_7
ADC_SCL
ADC_SDA
SNS_FILT_0
SNS_FILT_1
SNS_FILT_2
SNS_FILT_3
SNS_FILT_4
SNS_FILT_5
SNS_FILT_6
SNS_FILT_7
GND
SNS_5V
GND
SNS_5V
SNS_5V
GND
SNS_5VSNS_5V
VCC
VCC
VCC
R65
10K
R64
10K
R69
10K
R70
10K
R71
10K
R73
10K
R68
10K
R67
10K
R6610K
VREF1
SDA 2SCL 3
GND 4
V+ 5
INT 6
A0 7A1 8
IN79
IN610IN511IN412IN313IN214IN115IN016
U8
ADC128D818
C2910n
C3010n
C3210n
C3110n
C3910n
C3510n
C402.2n
R72
4K7
R74
4K7
C34100n
C38100n
C26100n
C28100n
C271u
C251u
C331u
C371u
2
31
114 U7A
LMV774MT 6
57
114 U7B
LMV774MT
9
108
114 U7C
LMV774MT 13
1214
114 U7D
LMV774MT
2
31
114 U9A
LMV774MT 6
57
114 U9B
LMV774MT
9
108
114 U9C
LMV774MT 13
1214
114 U9D
LMV774MT
1500 Hz low pass filter
Sharp PM sensor Vout must be read 0.28ms after the rise edge. 3600KHz as in time . Four times this 14K4Hz. The filter has enough wideband.
2 capacitors for each IC, each one of them contains 4 OAMP 1u 100nPCB: next to IC Vcc pin.
2 capacitors for each IC, each one of them contains 4 OAMP 1u 100nPCB: next to IC Vcc pin.
ADC I2C Address:0x01
15392 Hz low pass filter
1500 Hz low pass filter
1500 Hz low pass filter 1500 Hz low pass filter
1500 Hz low pass filter
1500 Hz low pass filter
Interrupt Request. Active Low, NMOS, open-drain. Requires external pullup resistor to function properly. Pull up at 3V3 instead 5V because MCU is 3V3 powered.
15392 Hz low pass filter
PIC2501
PIC2502 COC25
PIC2601
PIC2602 COC26
PIC2701
PIC2702 COC27
PIC2801
PIC2802 COC28
PIC2901
PIC2902
COC29 PIC3001
PIC3002
COC30
PIC3101
PIC3102
COC31 PIC3201
PIC3202
COC32
PIC3301
PIC3302 COC33
PIC3401
PIC3402 COC34
PIC3501
PIC3502
COC35 PIC3601
PIC3602
COC36
PIC3701
PIC3702 COC37
PIC3801
PIC3802 COC38
PIC3901
PIC3902
COC39 PIC4001
PIC4002
COC40
PIR6401 PIR6402 COR64
PIR6501 PIR6502 COR65
PIR6601
PIR6602 COR66
PIR6701 PIR6702 COR67
PIR6801 PIR6802 COR68
PIR6901 PIR6902 COR69
PIR7001 PIR7002 COR70
PIR7101 PIR7102 COR71
PIR7201 PIR7202 COR72
PIR7301 PIR7302 COR73
PIR7401 PIR7402 COR74
PIU701
PIU702
PIU703
PIU704
PIU7011
COU7A PIU704
PIU705
PIU706
PIU707
PIU7011
COU7B
PIU704 PIU708
PIU709
PIU7010
PIU7011
COU7C
PIU704
PIU7011 PIU7012
PIU7013
PIU7014
COU7D
PIU801
PIU802
PIU803
PIU804
PIU805
PIU806
PIU807
PIU808
PIU809
PIU8010
PIU8011
PIU8012
PIU8013
PIU8014
PIU8015
PIU8016
COU8
PIU901
PIU902
PIU903
PIU904
PIU9011
COU9A PIU904
PIU905
PIU906
PIU907
PIU9011
COU9B
PIU904 PIU908
PIU909
PIU9010
PIU9011
COU9C
PIU904
PIU9011 PIU9012
PIU9013
PIU9014
COU9D
PIC2501 PIC2601 PIC2701 PIC2801
PIC2902 PIC3002
PIC3102 PIC3202
PIC3301 PIC3401
PIC3502 PIC3602
PIC3701 PIC3801
PIC3902 PIC4002
PIR6702
PIU703 PIU705
PIU7010
PIU7011
PIU7012
PIU804
PIU903 PIU905
PIU9010
PIU9011
PIU9012
POGND
PIR6401 PIU701
PIU702 POSNS00 PIR6501
PIU706
PIU707
POSNS02
PIR6601 PIU806 POADC0INT
PIR6701 PIU808
PIR6801 PIU807
PIR6901 PIU708
PIU709 POSNS01 PIR7001
PIU7013
PIU7014
POSNS03
PIR7101 PIU901
PIU902 POSNS04 PIR7201
PIU906
PIU907
POSNS06
PIR7301 PIU908
PIU909 POSNS05 PIR7401
PIU9013
PIU9014
POSNS07
PIU802
POADC0SDA
PIU803
POADC0SCL
PIC2502 PIC2602 PIC2702 PIC2802
PIC3302 PIC3402
PIC3702 PIC3802
PIR6802
PIU704
PIU801 PIU805
PIU904
POSNS05V
PIC2901 PIR6402
PIU809 NLSNS0FILT00
PIC3101 PIR6902 PIU8011 NLSNS0FILT01
PIC3001 PIR6502
PIU8012 NLSNS0FILT02
PIC3201 PIR7002
PIU8010 NLSNS0FILT03
PIC3501 PIR7102
PIU8014 NLSNS0FILT04
PIC3901 PIR7302
PIU8016 NLSNS0FILT05
PIC3601 PIR7202
PIU8013 NLSNS0FILT06
PIC4001 PIR7402
PIU8015 NLSNS0FILT07
PIR6602
POVCC
POADC0INT
POADC0SCL
POADC0SDA
POGND
POSNS00
POSNS01
POSNS02
POSNS03
POSNS04
POSNS05
POSNS05V
POSNS06
POSNS07
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
12 *
PARTICULE MATTER SENSORS
12 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
EN_PM10
GND
3
1
2Q1
P-CH
3
1
2
Q3N-CH
SNS_5V
3
1
2
Q6N-CH
GND
PM10_ILED
PM10_VCC
R6150
GND
V-LED
3
1
2
Q5N-CH
LED
PM10_VCC
PM10_VOUT
EN_PM2.5
GND
3
1
2Q2
P-CH
3
1
2
Q4N-CH
SNS_5V
VOUT1
VOUT2
PM2.5_Vout1
PM2.5_VCC
VOUT2
VOUT1
GND
particule matter 10MICROMS particule matter 2.5MICROMS
GND
GND
VCC
VCCSNS_5V
SNS_5V
PM2.5_Vout2
GND GND
MM3Z3V3T1GOSCT-ND
D1Zener3V3
GND
GND
C2220u
123456
78
J11x6 Box Header 1.25mm
123456
78
J21x6 Box Header 1.25mm
PM10_VCC
GND
568-6822-1-NDD2
GNDGND
LED
V-LED
GND
PM2.5_VCC
568-6822-1-NDD4
GNDGNDR1068K
R768K
R968K
R568K
R868K
R210K
R410K
R1
5K49
R3
5K49
R1110K
MM3Z3V3T1GOSCT-ND
D3Zener3V3
C11u
C31u
The LED control pin (pin 3 on the SHARP dust sensor module) is active low. This means that a LOW ( 0V ) value will turn the LED on and a HIGH ( VCC ) value will turn the LED off.
When 0V over PM10_LED, 0V over LEDWhen 3V3 over PM10_LED, open drain for LED
3V22 voltage limitation from PWM similar signal. 0.31mA for Zener in case of over voltage.
(5-3.3)/5490 = 0.00031
Mating part for 1x6 Box Header:Digi-key - WM1724-ND
Mating part for 1x6 Box Header:Digi-key - WM1724-ND
PIC101
PIC102 COC1
PIC201
PIC202 COC2
PIC301
PIC302 COC3
PID10A PID10k COD1
PID20A
PID20K
COD2
PID30A PID30k
COD3
PID40A
PID40K
COD4
PIJ101
PIJ102
PIJ103
PIJ104
PIJ105
PIJ106
PIJ107
PIJ108 COJ1
PIJ201
PIJ202
PIJ203
PIJ204
PIJ205
PIJ206
PIJ207
PIJ208 COJ2
PIQ101
PIQ102 PIQ103
COQ1
PIQ201
PIQ202 PIQ203
COQ2
PIQ301
PIQ302
PIQ303 COQ3
PIQ401
PIQ402
PIQ403 COQ4
PIQ501
PIQ502
PIQ503 COQ5
PIQ601
PIQ602
PIQ603 COQ6
PIR101 PIR102 COR1
PIR201
PIR202 COR2
PIR301 PIR302 COR3
PIR401
PIR402 COR4
PIR501
PIR502
COR5 PIR601
PIR602
COR6
PIR701
PIR702
COR7
PIR801
PIR802
COR8
PIR901
PIR902
COR9
PIR1001
PIR1002
COR10
PIR1101
PIR1102 COR11
PIC101
PIC201
PIC301
PID10A PID20A
PID30A
PID40A
PIJ103
PIJ105
PIJ107
PIJ108
PIJ201
PIJ207
PIJ208 PIQ302
PIQ402
PIQ502
PIQ602
PIR201
PIR401
PIR802
PIR902
PIR1101 POGND
PIJ104
PIQ503
NLLED PID10k PIR102 PIR202 POPM2050Vout1
PID30k PIR302 PIR402 POPM2050Vout2
PIJ102 POPM100VOUT
PIJ205
PIJ206
PIQ101
PIQ303
PIR502
PIQ201
PIQ403
PIR702 PIQ301
PIR801
POEN0PM10
PIQ401
PIR901
POEN0PM205
PIQ501 PIQ603 PIR1002
PIQ601 PIR1102 POPM100ILED
PIC302 PID40K PIJ203
PIQ203
NLPM2050VCC
PIC102 PID20K PIJ101
PIQ103
PIR601
PIR1001
NLPM100VCC PIQ102
PIQ202
PIR501
PIR701
POSNS05V
PIC202
PIJ106
PIR602 NLV0LED
POVCC
PIJ202
PIR101
NLVOUT1
PIJ204
PIR301
NLVOUT2 POEN0PM205
POEN0PM10
POGND
POPM2050VOUT1
POPM2050VOUT2
POPM100ILED
POPM100VOUT
POSNS05V
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
13 *
SELECTABLE_RESISTOR
13 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
R50270K
GNDGNDGND
SNS_5V
DPOT_SCL
dpot_SDA
HA 1
LA 2WA 3
HB 4
LB 5WB 6
A27
VSS 8
SDA9SCL10
GND 11
A112A013
VDD14
U6
TPL0102-100PWR
RPOT_A_IN
RPOT_B_IN
3
1
2
Q14N-CH
3
1
2
Q13N-CH
3
1
2
Q12N-CH
3
1
2
Q11N-CH
3
1
2
Q10N-CH
GND
SEL_POT
SEL_POT+270K
SEL_POT+810K
SEL_POT+1080K
SEL_POT+540K
GND
SNS_5V TP26
TP27
GND
SNS_5VSNS_5V
GND
VCC
VCC
R5568K
R5668K
R5768K
R5868K
R5968K
R48
10KR49
10K
R51270K
R52270K
R53270K
R54270K
C24100n
C231u
GND
MAX series resistor is RPOT = 100K+ 5*270K = 1450 ohm
Digital PotentiometerI2C Address:0x10
Allowable positive and negative values. So if the current is really low, it would not be a problem.
PIC2301
PIC2302 COC23
PIC2401
PIC2402 COC24
PIQ1001
PIQ1002
PIQ1003 COQ10
PIQ1101
PIQ1102
PIQ1103 COQ11
PIQ1201
PIQ1202
PIQ1203 COQ12
PIQ1301
PIQ1302
PIQ1303 COQ13
PIQ1401
PIQ1402
PIQ1403 COQ14
PIR4801 PIR4802 COR48
PIR4901 PIR4902 COR49
PIR5001
PIR5002
COR50
PIR5101
PIR5102
COR51
PIR5201
PIR5202
COR52
PIR5301
PIR5302
COR53
PIR5401
PIR5402
COR54
PIR5501
PIR5502
COR55 PIR5601
PIR5602
COR56 PIR5701
PIR5702
COR57 PIR5801
PIR5802
COR58 PIR5901
PIR5902
COR59
PITP2601 COTP26
PITP2701 COTP27
PIU601
PIU602
PIU603
PIU604
PIU605
PIU606
PIU607
PIU608
PIU609
PIU6010
PIU6011
PIU6012
PIU6013
PIU6014
COU6
PIC2301 PIC2401
PIQ1002
PIQ1102
PIQ1202
PIQ1302
PIQ1402
PIR4801
PIR5402
PIR5502 PIR5602 PIR5702 PIR5802 PIR5902
PIU602
PIU603
PIU607
PIU608
PIU6011
POGND
PIQ1001
PIR5901
POSEL0POT
PIQ1003 PIR5001 PIU605
PIU606
PIQ1101
PIR5801
POSEL0POT0270K
PIQ1103
PIR5002
PIR5101
PIQ1201
PIR5701
POSEL0POT0540K
PIQ1203
PIR5102
PIR5201
PIQ1301
PIR5601
POSEL0POT0810K
PIQ1303
PIR5202
PIR5301
PIQ1401
PIR5501 POSEL0POT01080K
PIQ1403
PIR5302
PIR5401
PIR4802 PITP2601 PIU6013
PIR4902 PITP2701 PIU6012
PIU601 PORPOT0A0IN
PIU604 PORPOT0B0IN
PIU609 POdpot0SDA
PIU6010 PODPOT0SCL
PIC2302 PIC2402
PIR4901
PIU6014
POSNS05V
POVCC
PODPOT0SCL
PODPOT0SDA
POGND
PORPOT0A0IN
PORPOT0B0IN
POSEL0POT
POSEL0POT0270K
POSEL0POT0540K
POSEL0POT0810K
POSEL0POT01080K
POSNS05V
POVCC
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
14 *
MICS_2614_O3
14 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
GND
VS_O3
EN_O3
GND
3
1
2Q17
P-CH
31
2
Q18N-CH
SNS_5V
11
22
33
4 4
5 5
66
77
88
99
1010
U10MICS_SENSOR
GND3
1
2
Q20N-CH
3
1
2
Q19P-CH
GND
SNS_5VSNS_5V
GND
R8150K
GND
(DNP)
R840
GND
C4310n
R7568K
R7768K
R8310K
R7628K
R7856.2
R8225.5
R79820
R802K
R8510K
R861K
C411u
C42100u
This is the PRE-HEAT circuit. At first the N-CH transistor is ON, the voltage in the resistor deivider is higher and the power disipation in the internal heater resistor is higher.After simulated (2.2 seconds) the N-CH transistor goes off, the voltage in the internal heater resistor is lower, so the Rheater could reach the target temperature smoother.
3Kohm to 60Kohm
Used 820 resistor as minimum protection resistor for sensor resistor.
Used serial potentiometers for more accurate resistance selection.
Only footprint to prevent rpot distortion or future postcalibration if labview used for calibration
PIC4101
PIC4102 COC41
PIC4201
PIC4202
COC42
PIC4301
PIC4302
COC43
PIQ1701
PIQ1702 PIQ1703
COQ17
PIQ1801
PIQ1802
PIQ1803 COQ18
PIQ1901
PIQ1902
PIQ1903
COQ19
PIQ2001
PIQ2002
PIQ2003 COQ20
PIR7501
PIR7502
COR75
PIR7601
PIR7602
COR76
PIR7701
PIR7702
COR77
PIR7801
PIR7802
COR78 PIR7901
PIR7902
COR79
PIR8001
PIR8002
COR80
PIR8101
PIR8102
PIR8103 COR81 PIR8201
PIR8202
COR82
PIR8301
PIR8302 COR83
PIR8401
PIR8402
COR84
PIR8501 PIR8502
PIR8503 COR85
PIR8601
PIR8602
PIR8603 COR86
PIU1001 PIU1002 PIU1003
PIU1004
PIU1005
PIU1006 PIU1007 PIU1008 PIU1009
PIU10010
COU10 PIC4101
PIC4202
PIC4302
PIQ1802
PIQ2002
PIR7702
PIR8202 PIR8301
PIR8402
PIR8601
PIR8602
POGND
PIC4102 PIQ1703
PIQ1902
PIR7601
PIU1006 PIU1007 PIU1008 PIU1009
PIC4201
PIQ1901
PIR7602
PIC4301 PIQ2001
PIR8002
PIR8302
PIQ1701
PIQ1803
PIR7502
PIQ1801
PIR7701 POEN0O3
PIQ1903
PIR8001 PIQ2003
PIR7802
PIR8201
PIR7801
PIU1003
PIR7901
PIU1004
PIR7902
PIR8103
PIR8401
POVS0O3
PIR8101
PIR8102
PIR8503
PIR8501 PIR8502
PIR8603
PIU1001 PIU1002
PIU1005
PIU10010
PIQ1702
PIR7501
POSNS05V
POEN0O3
POGND
POSNS05V
POVS0O3
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
15 *
MICS_2714_NO2
15 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
GND
GND
SNS_5VSNS_5V
GND
VS_NO2
EN_NO2
SNS_5V
11
22
33
4 4
5 5
66
77
88
99
1010
U11MICS_SENSOR
GND
3
1
2
Q24N-CH
3
1
2
Q23P-CH
GND
GND
3
1
2Q21
P-CH
3
1
2
Q22N-CH
(DNP)
R970
GND
R8768K
R8968K
R9510K
R9456.2
R9075
R91820
R922K
R9610K
R981K
R8859K
R9320K
C4610n
C441u
C45100u
This is the PRE-HEAT circuit. At first the N-CH transistor is ON, the voltage in the resistor deivider is higher and the power disipation in the internal heater resistor is higher.After simulated (4.8 seconds) the N-CH transistor goes off, the voltage in the internal heater resistor is lower, so the Rheater could reach the target temperature smoother.
800ohm to 20Kohm
Used 820 resistor as minimum protection resistor for sensor resistor.
Used serial potentiometers for more accurate resistance selection.
Only footprint to prevent rpot distortion or future postcalibration if labview used for calibration
PIC4401
PIC4402 COC44
PIC4501
PIC4502
COC45
PIC4601
PIC4602
COC46
PIQ2101
PIQ2102 PIQ2103
COQ21
PIQ2201
PIQ2202
PIQ2203 COQ22
PIQ2301
PIQ2302
PIQ2303
COQ23
PIQ2401
PIQ2402
PIQ2403 COQ24
PIR8701
PIR8702
COR87
PIR8801
PIR8802
COR88
PIR8901
PIR8902
COR89
PIR9001
PIR9002
COR90 PIR9101
PIR9102
COR91
PIR9201
PIR9202
COR92
PIR9301
PIR9302
PIR9303 COR93 PIR9401
PIR9402
COR94
PIR9501
PIR9502 COR95
PIR9601
PIR9602
PIR9603 COR96 PIR9701
PIR9702
COR97
PIR9801
PIR9802
PIR9803 COR98
PIU1101 PIU1102 PIU1103
PIU1104
PIU1105
PIU1106 PIU1107 PIU1108 PIU1109
PIU11010
COU11 PIC4401
PIC4502
PIC4602
PIQ2202
PIQ2402
PIR8902
PIR9402 PIR9501
PIR9702
PIR9801
PIR9802
POGND
PIC4402 PIQ2103
PIQ2302
PIR8801
PIU1106 PIU1107 PIU1108 PIU1109
PIC4501
PIQ2301
PIR8802
PIC4601 PIQ2401
PIR9202
PIR9502
PIQ2101
PIQ2203
PIR8702
PIQ2201
PIR8901
POEN0NO2
PIQ2303
PIR9201
PIQ2403
PIR9002
PIR9401
PIR9001
PIU1101
PIR9101
PIU1102
PIR9102
PIR9303
PIR9701
POVS0NO2
PIR9301
PIR9302
PIR9603
PIR9601
PIR9602
PIR9803
PIU1103
PIU1104
PIU1105
PIU11010
PIQ2102
PIR8701
POSNS05V
POEN0NO2
POGND
POSNS05V
POVS0NO2
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
16 *
MICS_4514_CO_NO2
16 0
21/09/2016 18:28:06
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
VS_CO_C
EN_COMB
SNS_5V
11
22
33
4 4
5 5
66
77
88
99
1010
U12MICS_SENSOR
GND
VS_NO2_C
GNDGND
R1041M
GND
R1161K
R11310K
GND
3
1
2Q25
P-CH
3
1
2
Q26N-CH
NO
2_H
EA
TER
CO
_HE
ATE
R
SNS_PW
(DNP)
R1110
(DNP)
R1140
GND
GND
SNS_5VSNS_5V
GND
GND
3
1
2
Q30N-CH
3
1
2
Q29P-CH
R10375
GND
SNS_PW
3
1
2
Q28N-CH
3
1
2
Q27P-CH
R10259K
SNS_PW
NO
2_H
EA
TER
CO
_HE
ATE
R
R9968K
R10068K
R11010K
R12110K
R112100K
R11728K
R10956.2
R11856.2
R12025.5
R101820
R105820
R1192K
R1062K
R11520K
R10820K
R107500K
C4910n
C5110n
C471u
C48100u
C50100u
800ohm to 20Kohm
Used 820 resistor as minimum protection resistor for sensor resistor.
Used serial potentiometers for more accurate resistance selection.
Only footprint to prevent rpot distortion or future postcalibration if labview used for calibration
Only footprint to prevent rpot distortion or future postcalibration if labview used for calibration
These are the PRE-HEAT circuits. As in the other versions sensors.2.2 seconds of overheat for CO_C4.8 seconds of overheat for NO2_C
100Kohm to 1500Kohm
Used 820 resistor as minimum protection resistor for sensor resistor.
Used serial potentiometers for more accurate resistance selection.
PIC4701
PIC4702 COC47
PIC4801
PIC4802
COC48
PIC4901
PIC4902
COC49
PIC5001
PIC5002
COC50
PIC5101
PIC5102
COC51
PIQ2501
PIQ2502 PIQ2503
COQ25
PIQ2601
PIQ2602
PIQ2603 COQ26
PIQ2701
PIQ2702
PIQ2703
COQ27
PIQ2801
PIQ2802
PIQ2803 COQ28
PIQ2901
PIQ2902
PIQ2903
COQ29
PIQ3001
PIQ3002
PIQ3003 COQ30
PIR9901
PIR9902
COR99
PIR10001
PIR10002
COR100 PIR10101
PIR10102
COR101 PIR10201
PIR10202
COR102
PIR10301
PIR10302
COR103
PIR10401
PIR10402
PIR10403 COR104
PIR10501
PIR10502
COR105 PIR10601
PIR10602
COR106
PIR10701
PIR10702
PIR10703 COR107
PIR10801
PIR10802
PIR10803 COR108 PIR10901
PIR10902
COR109
PIR11001
PIR11002 COR110 PIR11101
PIR11102
COR111
PIR11201 PIR11202
PIR11203 COR112
PIR11301
PIR11302
PIR11303 COR113
PIR11401
PIR11402
COR114
PIR11501
PIR11502
PIR11503 COR115
PIR11601
PIR11602
PIR11603 COR116
PIR11701
PIR11702
COR117
PIR11801
PIR11802
COR118
PIR11901
PIR11902
COR119 PIR12001
PIR12002
COR120
PIR12101
PIR12102 COR121
PIU1201 PIU1202 PIU1203 PIU1204
PIU1205
PIU1206 PIU1207 PIU1208 PIU1209
PIU12010
COU12
PIR11801
PIU1203
NLCO0HEATER
PIC4701
PIC4802
PIC4902
PIC5002
PIC5102
PIQ2602
PIQ2802
PIQ3002
PIR10002
PIR10902 PIR11001
PIR11102
PIR11402
PIR11501
PIR11502
PIR11601
PIR11602
PIR12002 PIR12101
POGND
PIC4801
PIQ2701
PIR10202
PIC4901 PIQ2801 PIR10602 PIR11002
PIC5001
PIQ2901
PIR11702
PIC5101 PIQ3001 PIR11902 PIR12102
PIQ2501
PIQ2603
PIR9902
PIQ2601
PIR10001 POEN0COMB
PIQ2703 PIR10601 PIQ2803
PIR10302
PIR10901
PIQ2903 PIR11901 PIQ3003
PIR11802
PIR12001
PIR10101
PIU1204
PIR10102
PIR10403
PIR11101
POVS0CO0C
PIR10401
PIR10402
PIR10703
PIR10501
PIU1202
PIR10502 PIR10803
PIR11401
POVS0NO20C
PIR10701
PIR10702
PIR11203 PIR10801
PIR10802
PIR11303
PIR11201 PIR11202
PIR11503 PIR11301
PIR11302
PIR11603
PIU1205
PIU12010
PIR10301
PIU1201 NLNO20HEATER
PIQ2502
PIR9901
POSNS05V
PIC4702 PIQ2503
PIQ2702
PIQ2902
PIR10201
PIR11701
PIU1206 PIU1207 PIU1208 PIU1209
NLSNS0PW
POEN0COMB
POGND
POSNS05V
POVS0CO0C
POVS0NO20C
1
1
2
2
3
3
4
4
D D
C C
B B
A A
17 *
MICS_5524_CO
17 0
21/09/2016 18:28:07
Title
Size: Number:
Date:
Revision:
Sheet ofTime:
A4
ProjectPCB_Spica.PrjPcb
AuthorDiego Onofre Artés García
VS_CO
EN_CO
SNS_5V
11
22
33
4 4
5 5
66
77
88
99
1010
U13MICS_SENSOR
R12756.2
R13125.5
GND
R124820
3
1
2
Q34N-CH
R1292K
R12328K
GND
SNS_5V
SNS_5V
GND
GNDGND
R128500K
R13420K
GND
3
1
2Q31
P-CH
3
1
2
Q32N-CH
(DNP)
R1300
3
1
2
Q33P-CH
GND
R12268K
R12568K
R13310K
R132100K
R1261M
C5410n
C521u
C53100u
This is the PRE-HEAT circuit. At first the N-CH transistor is ON, the voltage in the resistor deivider is higher and the power disipation in the internal heater resistor is higher.After simulated (2.2 seconds) the N-CH transistor goes off, the voltage in the internal heater resistor is lower, so the Rheater could reach the target temperature smoother.
100Kohm to 1500Kohm
Used 820 resistor as minimum protection resistor for sensor resistor.
Used serial potentiometers for more accurate resistance selection.
Only footprint to prevent rpot distortion or future postcalibration if labview used for calibration
PIC5201
PIC5202 COC52
PIC5301
PIC5302
COC53
PIC5401
PIC5402
COC54
PIQ3101
PIQ3102 PIQ3103
COQ31
PIQ3201
PIQ3202
PIQ3203 COQ32
PIQ3301
PIQ3302
PIQ3303
COQ33
PIQ3401
PIQ3402
PIQ3403 COQ34
PIR12201
PIR12202
COR122
PIR12301
PIR12302
COR123
PIR12401
PIR12402
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PIR12502
COR125
PIR12601
PIR12602
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PIR12802
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PIR12902
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PIR13002
COR130
PIR13101
PIR13102
COR131
PIR13201
PIR13202
PIR13203 COR132
PIR13301
PIR13302 COR133
PIR13401
PIR13402
PIR13403 COR134
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PIU13010
COU13 PIC5201
PIC5302
PIC5402
PIQ3202
PIQ3402
PIR12502
PIR13002
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PIR13401
PIR13402
POGND
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PIQ3302
PIR12301
PIU1306 PIU1307 PIU1308 PIU1309
PIC5301
PIQ3301
PIR12302
PIC5401 PIQ3401
PIR12902
PIR13302
PIQ3101
PIQ3203
PIR12202
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PIR12501
POEN0CO
PIQ3303
PIR12901
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PIR12702
PIR13101
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PIU1304
PIR12402
PIR12603
PIR13001
POVS0CO
PIR12601
PIR12602
PIR12803
PIR12701
PIU1303
PIR12801
PIR12802
PIR13203
PIR13201
PIR13202
PIR13403
PIU1301 PIU1302
PIU1305
PIU13010
PIQ3102
PIR12201
POSNS05V
POEN0CO
POGND
POSNS05V
POVS0CO
PAC102
PAC101 COC1 PAC202
PAC201
COC2 PAC302 PAC301 COC3
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COC7
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PAC802
COC8
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PAC1001
PAC1002
COC10
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PAC1102 COC11 PAC1201
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PAC2702
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PAD20K
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PAD70K
COD7
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PAD80K
COD8
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COD9
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PAD100K
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PAG0LD20K
PAG0LD20A
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PAJ301
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PAJ30S3
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COJ4
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PAJ608
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PAL202 PAL201
COL2
PAL301 PAL302 COL3
PAL401
PAL402
COL4
PAL502 PAL501
COL5
PAL602 PAL601 COL6
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PAQ102
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PAQ202
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COQ3
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COQ4
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PAQ603
COQ6
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PAR1002
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PAR1101
COR11
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PAR1202 COR12
PAR1302
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PAR1401
COR14
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COR16
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PAR2301 COR23 PAR2402 PAR2401
COR24
PAR2502
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PAR2901
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PAR3402 COR34
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PAR3702 COR37
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PAR4301
COR43
PAR4401
PAR4402 COR44
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PAR4701
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PAR4802
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PAR9801
COR98
PAR9901 PAR9902 COR99
PAR10002
PAR10001
COR100
PAR10101
PAR10102
COR101
PAR10201
PAR10202
COR102
PAR10302
PAR10301
COR103
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COR124
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COR126
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PAR13401
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PAR14202
PAR14201
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COR154
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COR156
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COR162
PAR16302 PAR16301 COR163
PAR0LD10K
PAR0LD10A COR0LD1
PAR0LD20K
PAR0LD20A
COR0LD2
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PASW106
PASW105
PASW103 PASW101
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COTP20
PATP2101
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COTP26
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PATP4601
COTP46
PATP4701 COTP47
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PAU306
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PAU3015
PAU3016 PAU3017 COU3
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PAU4042 PAU4041 PAU4040 PAU4039
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PAU4035 PAU4034
PAU4031 PAU4030 PAU4029
PAU4025
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PAU401 PAU402
PAU406
PAU403 PAU404 PAU405
PAU407
PAU4020 PAU4021 PAU4018 PAU4019 PAU4016 PAU4017
PAU4010 PAU4011
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PAU4014 PAU4015 PAU4012
PAU4013 COU4
PAU5019 PAU5020
PAU5017 PAU5018
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PAU508 PAU509 COU5
PAU605 PAU607 PAU606 PAU603 PAU604 PAU602 PAU601
PAU609 PAU608 PAU6010 PAU6012 PAU6011 PAU6014 PAU6013
COU6
PAU708 PAU709 PAU7010
PAU707 PAU706 PAU705
PAU7012 PAU7013 PAU7011 PAU7014
PAU704 PAU703 PAU702 PAU701
COU7
PAU801
PAU802
PAU8016
PAU8015
PAU805 PAU806
PAU803
PAU804
PAU807 PAU808
PAU8014
PAU8013
PAU809
PAU8012
PAU8010 PAU8011
COU8
PAU908 PAU909
PAU9010
PAU907 PAU906
PAU905
PAU9012 PAU9013
PAU9011
PAU9014
PAU904
PAU903 PAU902 PAU901
COU9
PAU1005 PAU1004
PAU10010 PAU1009 PAU1008
PAU1007
PAU1006 PAU1003
PAU1002
PAU1001 COU10
PAU1105 PAU1104
PAU11010 PAU1109 PAU1108
PAU1107
PAU1106 PAU1103
PAU1102
PAU1101 COU11
PAU1205 PAU1204
PAU12010 PAU1209 PAU1208
PAU1207
PAU1206 PAU1203
PAU1202
PAU1201
COU12
PAU1305 PAU1304
PAU13010 PAU1309 PAU1308
PAU1307
PAU1306 PAU1303
PAU1302
PAU1301 COU13
PAU1403 PAU1401 PAU1402
PAU1404 PAU1405 COU14
PAU1502 PAU1501 PAU1503
PAU1505 PAU1504 COU15
PAU1602 PAU1601
PAU1603
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PAU1605 PAU1604
COU16
PAU1708
PAU1706 PAU1707
PAU1705
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PAU1704 PAU1703
COU17
PAU18013 PAU18012 PAU18016
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PAU18046 PAU18050 PAU18049 PAU18045
PAU18048 PAU18047
COU18 PAU19010 PAU19012 PAU1909 PAU19011 PAU1906 PAU1908 PAU1905 PAU1904 PAU1902 PAU1907 PAU1903 PAU1901
PAU19013 PAU19014 PAU19016 PAU19015 PAU19017 PAU19018 PAU19021 PAU19019 PAU19020 PAU19024 PAU19022 PAU19023
COU19
PAY101 PAY104
PAY102 PAY103
COY1
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PAD70K
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PAR9101
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PAC1802 PAC1902 PAC2002
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PAC7102
PAC7702
PAD1104 PAJ601
PAL502
PAQ702
PAQ1501
PAQ1601
PAR1201
PAR1601
PAR1701
PAR1801
PAR2002 PAR2102
PAR4001
PAR4401
PAR6001
PAR6101
PAR6602
PAR14502
PAR15901
PAR16001
PAR16101
PAR16301
PATP2801
PAU502
PAU1405
PAU1803 PAU18030
PAU18048
PAU19024
PAJ202 PAR101
PAJ204 PAR301
PAC1302 PAC1402
PAC5502
PAC5702
PAC5902
PAC6102
PAL302
PAL402
PAR2201
PAR13501
PATP401
PAU3010 PAU3011
PAU1401
PAU1501
PAU1606
PAU1708
PAC7502
PAU18033 PAY103
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