Colchón con tecnología electrotérmica textil

Ingeniería Técnica Industrial: Especialidad Electrónica Industrial COLCHÓN CON TECNOLOGÍA ELECTROTÉRMICA TEXTIL. AUTOR: GABRIEL ÁLVAREZ CASELLAS CO-DIRECTOR: VIRGINIA ESPINOSA DURÓ CO-DIRECTOR: JOAN GIL LÓPEZ OTOÑO AÑO 2009 Dedico este proyecto a: A mi Madre por estar todos los días de mi vida pendiente de mí, y entenderme todo lo que puede sacrificando vida suya para darme más a mí. Persona que me ha dado la vida que estoy viviendo. A mis Hermanos; Carlos y Ana por ser compañeros de vida hasta día de hoy, y sé que hasta el fin los seremos. A Mónica por ser una persona de valores que pase lo que pase se que siempre estará, y por ser una persona que comprende mi pensar. Agradecimientos: Agradezco a las personas que me han ayudado en la realización del proyecto, tanto a nivel económico, laboral, académico, amistoso, y sentimental. Sin ellas no hubiese podido llevar a cabo la realidad de esta creación. Gabriel I Índice 1. Objetivo proyecto. 1 1.1. Idea proyecto. 1 1.2. Especificación del proyecto. 1 2. Análisis y elección de textil electrotérmico. 3 2.1. Estado del arte tecnologías electrotérmicas. 4 2.1.1. Textiles inteligentes (“Smart textils”). 4 2.1.2. Textiles electrotérmicos. 4 2.2. Análisis de textiles electrotérmicos. 5 2.2.1. Tejido de calada con hilos de Fibra de carbono. 7 2.2.2. Tejido de calada poliéster bañado con Polímero conductor (Polypirrole). 8 2.2.3. Tejido de punto con mezcla de Poliéster/Acero Inox. 10 2.2.4. Tejido de Hilo de cobre/aramida bordado. 12 2.3. Conclusiones y elección del textil. 14 3. Colchón electrotérmico. 15 3.1. Temas de confort. 15 3.1.1. Respuestas fisiológicas a la aplicación de calor terapéutico.16 3.2. Temas de seguridad. 17 3.3. Prototipo colchón electrotérmico. 18 3.3.1. Diseño del colchón electrotérmico. 19 3.3.2. Creación del conjunto textil electrotérmico. 20 3.3.3. Respuesta de calor del conjunto textil electrotérmico. 26 3.3.4. Construcción del colchón activo. 26 4. Electrónica de control del sistema. 28 4.1. Diseño electrónica de control del sistema. 28 4.1.1. Comunicaciones. 29 II 4.1.1.1. Módulo de comunicación Bluetooth BISMS02BI-01 de la marca Ezurio. 30 4.1.1.2. Configuración módulo Bluetooth BISMS02BI-01. 34 4.1.1.3. Configuración Teléfono Móvil o PDA para enlazar con módulo Bluetooth de la PCB. 35 4.1.2. Adquisición de datos. Feedback. 36 4.1.2.1. Linealización sensor de temperatura NTC. 37 4.1.3. Procesado de datos. 42 4.1.4. Potencia para actuadores. 46 4.1.5. Alimentación de la electrónica. 48 4.1.6. PCB física. 51 4.2. Caja para electrónica de control del sistema. 54 4.3. Programa y funciones de la electrónica. 58 5. Descripción aplicación software de control para usuario. Funciones. 62 6. Tests del sistema y conclusiones. 69 1. Presupuesto. 73 1. Esquema teórico, layout de la electrónica y dimensiones de la caja de encapsulado con sus tapas. 75 1. Bibliografía. 85 Anexos. 87 1. Información datasheets componentes electrónica de control. 87 2. Código programa. 120 3. Video explicativo del proyecto. 125 1 1. Objetivo del proyecto. El objetivo del proyecto es dotar de propiedades calefactables a un colchón convencional, consiguiendo un sistema activo en calor que proporcione más confort y relajación que un colchón pasivo. Se pretende conseguir un sistema que aplique sensación de calor al cuerpo humano. Figura 1.Objetivo concepto. 1.1. Idea proyecto. Se pretende integrar en un colchón un sistema de calefacción de confort, repartido en toda la superficie de este pero separado por zonas independientes, de forma que pueda aplicarse calor en diferentes zonas del cuerpo y con diferentes temperaturas de confort. El sistema debe poder controlarse de forma muy simple y de fácil acceso, sin dificultad de uso e instalación por complejidad, para poder llegar a todos los clientes usuarios. Idea innovadora capaz de aportar valor añadido a un producto ya existente en el mercado y que ha quedado saturado por la gran cantidad de competidores y también por la simplicidad del propio producto, quedando en un punto en el que las mejoras de este no son suficientemente sustanciales para el usuario desde un punto de vista funcional. Producto que en los últimos años solo ha competido en costes entre los vendedores del sector, dejándolo en un umbral de precio muy acotado, sin posibilidad de sacar gran beneficio por unidad vendida. Se aporta una mejora cualitativa en el sector introduciendo un sistema que ofrece nuevas posibilidades de confort que un colchón convencional nunca hubiese podido proporcionar al usuario. 1.2. Especificación del proyecto. Para mejorar el producto con sistemas activos térmicos sobre él, se piensa en tecnologías electrotérmicas, capaces de proporcionar calor utilizando materiales conductores a través de los cuales se hace pasar corriente eléctrica de forma que el material se caliente, efecto físico llamado “Efecto Joule”, este calor es aprovechado para calentar las distintas zonas del colchón, en concreto se determinan tres; cabeza, tronco y pies. Se piensa en un sistema o material eléctrico-textil para poder integrar mejor en el colchón, y aprovechar las propiedades de flexibilidad y fácil adaptación que 2 proporciona este específico textil, capaz de calentarse al aplicarle tensión eléctrica en sus extremos. Para el control del usuario de todo el sistema, se piensa en un sistema inalámbrico para evitar cableado molesto, de esta forma se consigue mantener al máximo la estética inicial del colchón para evitar impacto deficiente en la imagen final del producto, conservando la estética del colchón pasivo sin cables, también se piensa en esta funcionalidad para dar opción domótica. Se piensa en un sistema de comunicación inalámbrica desde un modulo transmisor lo más simple posible, y de funcionalidades básicas que emita a un receptor las ordenes de función determinadas por el usuario. El receptor, se integra en el colchón siendo además la centralita de control electrónico de todo el sistema, este capaz de recibir información del exterior del colchón, información de estado del propio colchón, y procesar todos los datos para dar orden de actuación, según corresponda, a diferentes actuadores térmicos integrados en el colchón. Para aportar más innovación al producto se piensa en un dispositivo teléfono móvil ó PDA para utilizar las funciones de control de usuario ya que estos dispositivos ofrecen: comunicaciones inalámbricas estándar como por ejemplo Bluetooth, interfaz software de usuario sencilla, conocida y de fácil acceso por la mayoría de usuarios, a la vez interfaz configurable con la instalación de aplicación software específico (no es el propósito del proyecto la realización de esta aplicación software, se realiza un software sencillo para realizar las funciones básicas del sistema). Figura 1.2. Diagrama de la aplicación. 3 2. Análisis y elección del textil electrotérmico. Existen distintas formas de conseguir calor, algunas no son aplicables o son poco eficientes para esta aplicación, otras son demasiado costosas. De todas las tecnologías existentes la opción más viable por ser una solución poco costosa relativamente, fácil de integrar en el colchón, y que causaría poco impacto de implantación en el mismo, por tanto pocos cambios en la forma de producir el conjunto colchón activo, es la tecnología electrotérmica textil. Este tipo de tecnología que se encuentra en el campo de los” Smart textils” (textiles inteligentes) consiste en calentar un textil especifico, este con componentes metálicos conductores, haciendo circular corriente eléctrica a través de él, se consigue un efecto físico denominado Efecto Joule, este surge cuando en un material conductor, parte de la energía cinética de los electrones es transformada en calor a causa de los choques que sufren los átomos del material conductor por el que circulan, esos choques elevan la temperatura del material. La característica principal de esta tecnología i clave para la aplicación es que el material en cuestión sea un textil, adoptando las propiedades de este, estas son: - Flexibilidad: Todos los textiles tienen un grado de flexibilidad, esta característica en la aplicación influye de forma muy positiva, consiguiendo mantener la viscosidad (propiedad que tienen la mayoría de colchones del mercado), y la propia flexibilidad del colchón. Se consigue no perder la adaptación del cuerpo humano en el colchón, de forma que éste ceda con los diferentes pesos del cuerpo de la persona repartidos en la superficie del colchón, es decir no afectar a la funcionalidad principal del producto; el confort. - Elasticidad: Propiedad que tienen los textiles capaces de deformarse de su estado inicial. En la aplicación en concreto no es una propiedad que se necesite en exceso, ya que podría provocar perdida de precisión en el control del sistema. Pero tampoco debe ser un textil sin elasticidad ya que afectaría negativamente en la adaptación del cuerpo en el colchón. - Resistente al liquido: (no cuando está circulando corriente eléctrica). Esta propiedad característica de los textiles, es interesante en el aspecto resistencia y durabilidad del sistema, cualquier textil es posible mojarlo y por tanto lavarlo. Existen características importantes en los textiles que no son propiedades implícitas de estos, pero si son posibilidades en ellos que afectan positivamente en el colchón y que otros sistemas no podrían conseguir, son las siguientes: - Poco grosor: En general la mayoría de textiles se crean en formato plano y flexible, el grosor de estos varía según el uso que se desee, se pueden conseguir grosores muy finos que pueden adaptarse fácilmente en el colchón y sin provocar cambios o modificaciones sustanciales en este. - Fácil fabricación en serie: La elaboración masiva de textil es fácil de realizar, se requiere un proceso inicial de puesta a punto de maquinas y ajuste de estas 4 según el textil específico a realizar, después se fabrican bobinas de textil de forma rápida. 2.1. Estado del arte tecnologías electrotérmicas. 2.1.1. Textiles inteligentes (“Smart textils”). Son textiles capaces de realizar funcionalidades adicionales i diferentes al modificar su naturaleza cuando reciben estímulos externos de tipo químico o físico, son textiles activos que a diferencia de sus originales (pasivos), ofrecen más características. Existen de diferentes tipos según la funcionalidad que realicen o el estimulo al que respondan. Son materiales conocidos desde hace varios años, pero en la actualidad están teniendo una fuerte aparición al aportar propiedades y componentes adicionales al uso de textiles tradicionales, que son muy valoradas desde el punto de vista innovador y que proporcionan un paso adelante en la industria textil saturada en su sector por la gran competencia en costes de producción a la que ha llegado el mercado. Los textiles inteligentes se pueden clasificar según su funcionalidad en: - Textiles electroluminiscentes: emiten luz Pueden reaccionar al aplicarles tensión eléctrica o pueden ser de tipo Fosforo que adquiere luz en exposición a esta para posteriormente ser emitida. - Textiles con memoria de forma, o Polímeros electroactivos: pueden deformarse en respuesta a estímulos eléctricos, y recuperar formas iniciales a la deformación. - Textiles que cambian de color: se les aplica calor, ya sea en forma de electricidad que los atraviesa o por radiación, estos reaccionan cambiando su color. - Textiles que regulan la distribución de aromas o de cosméticos, medicamentos: son tejidos con capsulas que tienen en su interior fragancias o productos químicos con determinadas propiedades que ofrecen diversas aplicaciones. Estas capsulas se abren con calor aplicado en el textil. - Textiles electrotérmicos: son los capaces de proporcionar calor cuando se les hace pasar corriente eléctrica a través de ellos, funcionan por efecto Joule. 2.1.2. Textiles electrotérmicos. Los textiles electrotérmicos son tejidos que han sido alteradas sus propiedades en su fabricación para conseguir un resultado final con funcionalidades térmicas. Estos textiles se pueden clasificar en función de su capacidad conductora de circulación de corriente eléctrica. Cuanto más conductor es un textil peores propiedades electrotérmicas tiene ya que este es más capaz de conducir corriente eléctrica sin fricciones de los electrones en él. 5 Figura 2.1.Clasificación tipos de textiles según resistencia eléctrica. 2.2. Análisis de textiles electrotérmicos. Se realiza un análisis de 4 tipos de textiles electrotérmicos diferentes con el objetivo principal de encontrar el textil más eficiente en la relación calor-potencia eléctrica, los textiles elegidos por sus buenas características electrotérmicas son: - Tejido de calada con hilos de Fibra de carbono. - Tejido calada poliéster bañado con Polímero conductor (Polypirrole). - Tejido de punto con mezcla de Poliéster/Acero Inox. - Hilo de Cobre/Aramida bordado. Se ponen a prueba estos textiles más idóneos para la aplicación; Se realizan pads de 50x90 cm, uno para cada tipo de textil, cosiendo un electrodo de metal que aguanta una circulación de corriente a través de él de hasta 10A en cada lado del pad para conseguir un buen contacto con la fibra. Se hace circular corriente eléctrica a través del pad para conseguir efecto de calor. Figura 2.2.Esquema de aplicación física de los pads. 12 Figura 2.12. Respuesta de calor PES / Acero Inox. Resistencia eléctrica=16,5 Ohms Resistencia eléctrica textil arrugado=5 Ohms Conclusiones: Textil muy conductor. Aguanta temperaturas de hasta 100ºC sin quedar afectadas sus propiedades electrotérmicas o textiles. Sensible en resistencia eléctrica a cambios de forma del mismo. Textil viable para aplicaciones de bajo calor. 2.2.4. Tejido de Hilo de cobre/aramida bordado. Textil con base de lana que aguanta y almacena altas temperaturas, con un bordado específico de una mezcla específica de hilos metálicos con hilos no metálicos que forman un solo hilo con propiedades conductoras y de gran resistencia mecánica, este se borda en la base de lana con un hilo de aramida muy resistente a altas temperaturas, hasta 400ºC, y gran resistencia mecánica. Este hilo de mezcla específica es muy resistente térmicamente y mecánicamente. El conjunto textil ofrece posibilidad de infinidad de diseños. Coeficiente de temperatura negativo. El riesgo de rotura es muy bajo. 13 Figura 2.13. Tejido Hilo de cobre/aramida bordado. Figura 2.14. Imagen termográfica Hilo de cobre/aramida bordado. 14 Figura 2.15. Respuesta de calor Hilo de cobre/aramida bordado. Resistencia eléctrica=8,75 Ohms Resistencia eléctrica textil arrugado= 10 Ohms Conclusiones: Conjunto textil con temperatura más elevada en el hilo para conseguir el mismo efecto homogéneo de calor en todo el textil, conlleva colocar otra capa de textil encima del electrotérmico para aislar de excesos de temperatura concentrada en el hilo y conseguir así mayor efecto homogéneo. Coste relativamente bajo. Muy eficiente en comparación otros tejidos o compuestos. Fragilidad al quedar todo el tejido sin energía si se rompe el hilo conductor en cualquiera de su recorrido. Textil viable para aplicaciones de bajo calor. 2.3. Conclusiones y elección del textil. Los cuatro tejidos analizados son viables para aplicaciones de calor, pero los dos primeros; Fibra de carbono y Tejido con baño de polímero conductor, son textiles o compuestos que necesitan relativamente alta tensión para calentarse, eso hace que no sean viables para aplicaciones de baja potencia calorífica y en consecuencia no son adecuados para la aplicación del proyecto. En el caso de la Fibra de carbono, este es un material muy caro y por tanto influiría directamente en el coste de producción en serie de un posible producto final y por tanto en el precio de venta de este. Los dos últimos tejidos analizados son muy adecuados para generar poco calor (de confort) y con relativa baja potencia energética aplicada. El Tejido de punto con mezcla de Poliéster/Acero Inoxidable es muy idóneo para la aplicación del proyecto ya que al ser calentado ofrece una transmisión de calor homogénea en toda su superficie, característica que no proporciona el Tejido de Hilo de cobre/aramida bordado por su naturaleza de composición del conjunto. Aunque este último parezca que ofrece mayor temperaturas a igual o menor potencia eléctrica aplicada, la medición está hecha con 15 una cámara termográfica y esta mide el área del conjunto que desprende calor, por tanto la media del valor medido sube a causa de la alta concentración de calor que se produce en el hilo bordado, pero realmente el calor homogéneo no es el del valor reflejado en la medida. El Tejido de punto con mezcla de Poliéster/Acero Inoxidable ofrece una textura, flexibilidad y elasticidad que no proporcionan en el mismo nivel los otros tejidos analizados, hasta el punto de parecer un textil completamente normal, esta propiedad de gran semejanza a un textil convencional proporciona mejor mantenimiento de las funcionalidades de confort que ya ofrece un colchón convencional, por tanto no se verá alterada la confortabilidad en ya existente en el colchón pasivo si se integra este textil electrotérmico. Otra ventaja que ofrece este tejido de punto de mezcla es que en caso de rotura o agujero en alguna zona del textil, este puede continuar funcionando, y por tanto emitiendo calor en todo el tejido menos en la zona perpendicular a los electrodos cosidos y que ha quedado cortada por el agujero en cuestión. Esta característica no es igual de válida para el Tejido de Hilo de cobre/aramida bordado, ya que al tener este un solo hilo conductor, solo que se corta en algún punto este hilo todo el textil deja de funcionar de forma electrotérmica. Después de los análisis realizados a nivel de características técnicas y características experimentales a los cuatro textiles elegidos como más adecuados en un principio para la aplicación y objetivos del proyecto. Se escoge el Tejido de punto con mezcla de Poliéster/Acero Inoxidable para la aplicación de calor de confort en un colchón, por sus ventajas como textil electrotérmico frente a los otros tejidos analizados. 3. Colchón electrotérmico. Teniendo el textil electrotérmico elegido por sus características superiores a los otros, se elabora la parte textil del proyecto, donde se integrarán los actuadores que aplicaran calor al cuerpo humano, se convertirá el colchón pasivo en activo. 3.1. Temas de confort. Se denomina Termoterapia a la aplicación del calor o el frío como agentes terapéuticos. Existen tres formas de aplicar calor o frio al cuerpo humano según el tipo de contacto: - Radiación: Es la transmisión del calor (energía en forma de ondas electromagnéticas) a través del vacío. Es el principal mecanismo de termólisis del organismo. No solo se produce emisión sino que se produce también absorción de radiación electromagnética. El poder absorbente, así como el poder de radiación del cuerpo depende de su temperatura, de su naturaleza y de su superficie. Ejemplo: Calor Infrarrojo. - Conducción: Es un mecanismo de intercambio de energía térmica entre dos superficies en contacto. Se produce entre dos áreas de diferente temperatura, por 16 colisión molecular directa y por desplazamiento de electrones libres. La energía térmica pasa de lugares de mayor temperatura a lugares de menor temperatura. Los tejidos del cuerpo humano presentan, en general, una baja conductividad térmica, se comportan como aislantes. Los tejidos con gran contenido de agua (músculos, sangre) presentan una mayor conductividad. Si se interpone aire entre un agente termoterápico y la piel, será difícil la transmisión del calor. Ejemplos: Agentes termoterapéuticos sólidos (Arena, envolturas secas, almohadillas, mantas eléctricas, objetos metálicos calientes, bolsas de agua caliente, hot packs, etc.), y semilíquidos (peloides, parafina y parafango). - Convección: Consiste en la transferencia de calor que tiene lugar en un líquido (agua, sangre, etc.). Aunque en los líquidos y gases una parte del calor se transfiere por conducción, una mayor cantidad hace por convección. En el cuerpo humano se produce transporte de calor desde la profundidad hacia la superficie corporal, por conducción y por convección. El mecanismo convectivo, en el que desempeña un papel fundamental la circulación sanguínea, actúa a modo de radiación y es la causa principal de que a corta distancia de la piel la temperatura central sea prácticamente uniforme. Ejemplos. Aplicaciones hidroterapéuticas calientes, baños de vapor y sauna. - Evaporación: Es un mecanismo termolítico, variante de la convección, consistente en una transferencia de calor corporal por la vaporización del sudor y del agua de los pulmones, durante la espiración. Es un mecanismo imprescindible frente a temperaturas externas elevadas. Las pérdidas por evaporación (a través del sudor) aumentan con la elevación de la temperatura ambiental. - Conversión: Es la transformación de otras formas de energía en calor. Ejemplo. Los ultrasonidos donde la energía mecánica produce fricción y se transforma en calor, otro ejemplo son las altas frecuencias donde la energía electromagnética desarrolla corrientes inducidas dentro de organismo que producen calor desde la profundidad hacia la superficie. El objetivo del proyecto es dotar de funcionalidades caloríficas a un colchón convencional utilizando el método por conducción para dar sensación de calor al cuerpo humano, por tanto no es necesario generar gran cantidad de energía para conseguir temperaturas poco elevadas como podrían ser, en caso contrario, las que genera una estufa u otros sistemas similares que consumen gran cantidad de energía, alrededor de 2000w. 3.1.1. Respuestas fisiológicas a la aplicación de calor terapéutico. Hay zonas del cuerpo donde la aplicación de calor es aconsejable, y hay otras zonas en que es más crítica y debe precisarse. 17 Figura 3.1. Termográfica del cuerpo humano. Los beneficios terapéuticos del calor son conocidos hace siglos: los baños de agua caliente son muy relajantes, el calentar una cierta área del cuerpo provoca una aceleración en el metabolismo, produciendo vasodilatación e incremento en el flujo sanguíneo, lo que resulta benéfico para piel dañada, También existen otros beneficios al cuerpo que surgen de la aplicación de calor: - Aumento de la circulación sanguínea y linfática. - Aumenta la flexibilidad del tejido colágeno, por lo cual disminuye la rigidez articular. - Alivia el dolor. - Disminuye el espasmo muscular y colabora con la reabsorción de infiltrados inflamatorios, edema y exudados. - Se emplea en la terapéutica contra el cáncer. 3.2. Temas de seguridad. Esta aplicación requiere un cierto grado de seguridad al haber contacto directo con el cuerpo humano y al aplicar tensión eléctrica en el sistema. 18 Por una parte se requiere seguridad en el textil electrotérmico; el uso de un textil capaz de permitir el paso de corriente eléctrica a través de él, obliga a que se integre una capa de textil o material aislante adicional en la parte de contacto con la piel, de esta forma se asegura que no hayan posibles fugas de corriente a través del cuerpo humano cuando este entre en contacto con el textil electrotérmico, poner esta capa de protección también asegura que no se generen arcos voltaicos entre el textil electrotérmico y la piel. Por otro lado esta aplicación hace uso de electricidad y componentes electrónicos, es un sistema que estará al alcance de las personas y utilizara mismamente el paso de corriente eléctrica cerca del cuerpo humano. La ley obliga, según REBT MIBT-21/2.2, en productos con circunstancias de uso como las de la aplicación, que se limite la tensión eléctrica de uso para evitar daños en la persona si hubiera posibles fugas no deseadas de corriente eléctrica, la limitación es de hasta 24V DC en emplazamientos húmedos y de hasta 50V en emplazamientos secos, tanto para corriente continua como para corriente alterna esta con la condición de ser aplicada a 50Hz. La tensión con la que se alimentará todo el sistema será de 24V, tanto la electrónica de control como los actuadores electrotérmicos textiles. A nivel de “seguridad inteligente”, es decir, actuaciones dentro del funcionamiento de la aplicación, que aseguren un entorno de uso seguro, se programan en la electrónica de control dos actuaciones según posible estado inseguro en el que se pueda encontrar el colchón: - Exceso de temperatura en cualquier zona del colchón: Al ser una aplicación que consiste en calentar un material, este debe ser controlado constantemente para evitar que se eleve su temperatura dentro de rangos no deseados o incluso que se pueda perder el control y llegar a provocar incendio del textil. El sistema debe tener un control “feedback” para poder apagar los actuadores cuando detecte un valor de temperatura determinada a 45ºC o superior, rangos de temperatura fuera del funcionamiento normal de la aplicación. - Desconexión de comunicación entre la electrónica de control y el teléfono móvil o PDA: Podría darse esta situación si se pierde cobertura o se apaga el móvil o PDA ya sea por falta de batería en el mismo o por intención de apagar del usuario o salir de la aplicación. Se establece que el sistema se apague si el usuario apaga intencionadamente el móvil o sale de la aplicación, de esta forma se asegura un control absoluto desde el interfaz del usuario, y por tanto el sistema no puede funcionar sin ese control, móvil o PDA deben estar enlazados con la electrónica de control del sistema en todo momento para activar los actuadores electro-textiles de forma segura. 3.3. Prototipo colchón electrotérmico. Establecidas las necesidades de la aplicación para cumplir con los objetivos del proyecto y establecidas las limitaciones por temas de seguridad, se crea el colchón electrotérmico 19 3.3.1 Diseño del colchón electrotérmico. El colchón activo básicamente es una evolución al colchón pasivo, es decir, no se varían las características de viscosidad, elasticidad y flexibilidad para mantener el confort que ya aplica un colchón convencional. Pero a este conjunto pasivo se le añade un conjunto textil electrotermico con tres zonas activas independientes para poder regular la temperatura a aplicar de forma independiente en cada pad textil electrotermico Figura 3.2. Diseño colchón electrotérmico. Se diseña el conjunto textil electrotérmico repartiendo el calor generado en tres zonas independientes, un pad electrotérmico para cada zona; una zona para la cabeza, otra para el tronco y otra para los pies. La zona del tronco se dimensiona más grande que las otras dos al ser la superficie donde habrá más contacto con la zona del cuerpo que tendrá el mismo valor de temperatura al ser una zona corporal sin distinciones de zonas de calor, las otras dos zonas se dimensionan del mismo tamaño. Esta diferencia de dimensiones en los pads electrotérmicos hace que a nivel eléctrico se necesite más energía para llegar al mismo valor de temperatura en el pad del tronco, al ser de mayor área. 20 Figura 3.3. Diseño conjunto textil electrotérmico. 3.3.2. Creación del conjunto textil electrotérmico. Se construye el conjunto textil de tres pads electrotérmicos integrados en una base textil, esta es un compuesto de fibras de poliéster entrelazadas entre sí mismas, capaz de resistir altas temperaturas de hasta 180ºC. Figura 3.4. Base textil del conjunto textil electrotérmico. 21 Para el circuito eléctrico que asegurará conducción de corriente eléctrica a través de toda la superficie de cada pad se utiliza cable plano metálico integrable en textil. Los electrodos de cada pad soportan hasta 10A de intensidad y el cable plano del conjunto total soporta hasta 15A. Figura 3.5. Cable plano de 15A a la izquierda y cable plano de 10A a la derecha. El hilo para coser cada uno de los pads y acabados del textil es de compuesto Aramida capaz de aguantar temperaturas de hasta 400⁰C. Figura 3.6. Esquema circuito eléctrico completo del conjunto textil electrotérmico. 28 4. Electrónica de control del sistema. Teniendo el prototipo colchón creado, se necesita una electrónica de control para poder determinar temperaturas en cada pad independiente y según la detección de los 3 sensores de temperatura NTCs colocados en cada pad, realizar la activación o no de estos manteniendo la temperatura recibida, como consigna, de forma inalámbrica en la misma placa y procedente de un dispositivo interfaz usuario como puede ser un móvil o una PDA, u otro dispositivo con la misma tecnología de comunicación que utilice la placa electrónica. 4.1. Diseño electrónica de control del sistema. La electrónica de control es un modulo controlador de todo el sistema que recibe inalámbricamente información de temperaturas de consigna a las que debe estar cada uno de los pads electrotérmicos, integrados en el colchón activo, independientemente , por tanto, necesita capacidad de comunicación para recibir datos externos de forma “wireless”. También necesita de un microcontrolador el cual se encarga de todo el procesado de datos, ya sean los recibidos por el modulo de comunicación, los captados por los NTCs integrados en el colchón, y convertidos con un Convertidor Analógico Digital (ADC) multiplexado por el mismo micro, y además determinar según los resultados procesados la activación o no de cada pad o de todos a la vez, esta parte requiere de una determinada potencia que se implementa con componentes destinados a soportar cargas de energía aplicadas a los pads electrotérmicos. La activación y desactivación de los pads se realiza de forma ON/OFF, es decir, el sistema activa un pad si la temperatura de consigna recibida es mayor que el valor que capta el sensor NTC correspondiente a ese pad, cuando el sensor detecta que el valor es el mismo que el de consigna, desactiva la aplicación de energía en ese pad, este sistema se aplica a los 3 pads. El refresco de actualización del estado de aplicación de energía en cada pad, se ralentiza con tiempo de espera para conseguir suavizar el efecto intermitente y conseguir así no castigar la electrónica. Figura 4.1. Esquema general de la electrónica de control. 29 4.1.1. Comunicaciones. Para la comunicación entre los dos sistemas; sistema de control de usuario (teléfono móvil) y sistema de control electrónico (placa electrónica de control) se escoge un sistema estándar inalámbrico, conseguimos de esta forma reducir costes de desarrollo y más compatibilidad entre dispositivos al ser sistema estándar, acercando más el producto a un posible mercado. Se escoge la capacidad inalámbrica para mantener la estética inicial del producto sin cables que salgan del colchón (solo el de alimentación de todo el sistema), además proporciona una atractiva y nueva funcionalidad al sistema como es el control remoto de temperatura del colchón desde una interfaz usuario, pudiendo modificar al gusto del usuario la temperatura de su colchón desde la sala de estar, o desde la cocina, o según cobertura ,desde fuera de la casa donde esté ubicado el sistema de confort activo. Actualmente los sistemas de comunicación estándares implementados en dispositivos tipo móvil, PDAs, u otros dispositivos parecidos de control de usuario portables son: ZigBee 802.11 (Wi-Fi) Bluetooth Velocidad transmisión 20, 40 y 250 Kbits/s 11 y 54 Mbits/s 1 Mbits/s Rango 10-100m 50-100m 10-100m Topología de red Punto a punto Punto a HUB Frecuencia operación 868 MHz (Eur) 900-928 MHz (NA) 2,4 GHz (mundial) 2,4 y 5 GHz 2,4 GHz Complejidad Baja Alta Alta Consumo energético Muy bajo Alto Medio Seguridad 128 AES capa seguridad de aplicación plus - 64 y 128 bits de encriptación Info. Adicional Dispositivos que pueden unirse a una red existente y en menos de 30ms Requiere 3-5 segundos para conectarse a un dispositivo Requiere hasta 10 segundos para conectarse Aplicaciones típicas Seguimiento de control industrial, redes de sensores, automatización de edificios, control y automatización del hogar, juguetes, juegos conectividad LAN inalámbrica, acceso a Internet de banda ancha conectividad inalámbrica entre dispositivos tales como teléfonos, PDA, ordenadores portátiles, auriculares Tabla 4.1. Comparativa de diferentes estándares de comunicación inalámbrica. 30 Se escoge el sistema de comunicación Bluetooth por las siguientes características: - Es un sistema de comunicación estándar que proporciona la posibilidad de comunicación desde el colchón con cualquier dispositivo portable que contenga esta tecnología, ya sea para recibir o emitir datos, como pueden ser móviles, PDAs, PCs. - De los otros 3 sistemas de comunicación estándar en el mercado, se justifica a continuación porque no son adecuados los otros dos: • Comunicación Wi-Fi: es un tipo de transmisión para grandes tramas de datos, no todos los dispositivos portables llevan este tipo de tecnología, aunque cada vez se está extendiendo mas entre el sector de dispositivos portables. El consumo de estos módulos es mucho más elevado que el sistema Bluetooth. • ZigBee: se utiliza para comunicar redes de dispositivos o maquinaria industrial. Su consumo e implementación son bajos, pero no es un sistema implementado en la mayoría de dispositivos portables. - Es un sistema de comunicación que por su baja complejidad es adecuado al tipo de aplicación y también hace al sistema más económico en costes de componente y desarrollo del mismo. - Dentro del sistema Bluetooth existen 3 clases según su radio de cobertura suponiendo en un terreno plano: • Clase 1: capaz de transmitir a distancias de hasta 100m. • Clase 2: capaz de transmitir a distancias de hasta 50m. • Clase 3: capaz de transmitir a distancias de hasta 10m. 4.1.1.1. Modulo de comunicación Bluetooth BISMS02BI-01 de la marca Ezurio. Para la aplicación se escoge el modulo de comunicación Bluetooth BISMS02BI-01 de la marca Ezurio con cobertura asegurada en llano de 100m (clase 1), este modulo nos asegura un buen radio de trabajo de la aplicación, por ejemplo en hogares donde haya más de una planta, también es un modulo que puede comunicar con un microcontrolador a través de puerto serie UART (Universal Asinchronous Receiver Transmitter), estándar RS-232, por tanto podemos tratar los datos recibidos. Tiene un pin que se activa cuando el modulo está conectado con el otro dispositivo de enlace, idóneo para conectar un LED de indicación de conexión. Es un modulo completo ya que incorpora la antena integrada en el mismo. Realiza las transmisiones inalámbricas por radio frecuencia en el rango de 2,400 y 2,485 GHz La energía de transmisión máxima a la que puede llegar es de +6dBm, y la mínima es de -27dBm. Consume 36 mA de corriente cuando está en funcionamiento normal transmitiendo. Puede trabajar en aplicaciones que requieran transmisión de audio. Tiene 6 pines E/S y posibilidad de 31 configurar un ADC de hasta 8 bits de resolución, pero necesita de un procesador adicional si se quieren procesar los datos que capta el conversar. La configuración del integrado se realiza a través del puerto serie con comandos estándar AT, la nomenclatura de estos proporcionada por el fabricante. Figura 4.2. Modulo de comunicación Bluetooth BISMS02BI-01 de la marca Ezurio En el mercado existen diferentes módulos Bluetooth con dimensiones de todo tipo, actualmente este modulo es de los más pequeños que hay por la cobertura que proporciona, de unos 250m en terreno plano según el fabricante, por tanto cumple sobradamente la clase 1. Figura 4.3. Dimensiones del módulo Bluetooth. 32 Este componente electrónico es de tipo SMD (Surface Mounted Device), por tanto se suelda encima de la placa electrónica sin necesidad de agujeros en los pads de esta. Tiene 42 pines, de los cuales, para la aplicación, solo se utilizan 8. Figura 4.4. Listado completo pin-out del módulo Bluetootth. Para la aplicación necesitamos que el módulo indique cuando está conectado a otro dispositivo inalámbricamente (pin 36, GPIO_4). El integrado debe poderse resetear (pin 5, RESET-). La comunicación física con el microcontrolador la realiza a través del puerto serie UART que tiene el dispositivo, se conexionan solo dos pines, uno para trasmitir datos desde el Bluetooth (pin 26, UART_Tx), y otro para recibir desde el micro (pin 24, UART_Rx), esta última conexión no es funcional en la aplicación. El estándar RS-232 permite realizar la comunicación solo con 2 conexiones (Tx y Rx), las demás conexiones son señales de control en caso de que haya comunicaciones diferentes a Full dúplex (conexión que se implementa en la aplicación), por tanto se pueden obviar el resto de conexiones del estándar. La alimentación del componente se realiza con una tensión de 3,3V según indica el fabricante (pin 1, VCC) (pines 4/20/29, GND). 33 Figura 4.5. Conexionado del puerto serie estándar RS-232 del modulo Bluetootth. Teniendo los pines del integrado necesarios para la aplicación, se diseña el circuito de conexión hardware del dispositivo Bluetooth. Figura 4.6. Conexionado del módulo Bluetootth en la aplicación. 34 4.1.1.2. Configuración módulo Bluetooth BISMS02BI-01. Para programar la configuración que debe trabajar el modulo Bluetooth en la aplicación, este debe conectarse a través de las líneas del puerto serie TX y RX; pin 26 / UART_Tx, y pin 24 / UART_Rx. Una vez realizada la placa y soldados los componentes en ella, se configura el modulo siguiendo estos pasos: a) Se conecta el programador de Bluetooth con el modulo Bluetooth de la PCB a través del puerto serie (TX, RX), conectar GND del programador con GND de la PCB para tener la misma referencia de masa en todo el sistema. Alimentar la PCB con fuente independiente. El programador puede ser cualquier sistema que tenga estas dos líneas y GND para referenciar, un PC normal a través de su puerto serie (COM) puede realizar esta conexión perfectamente. b) Se abre la interface Terminal (cualquier software terminal es válido para transmitir datos por el puerto serie del PC, en este caso se escoge el mismo de la marca EZURIO) en el ordenador para introducir las instrucciones AT correspondientes de configuración del modulo Bluetooth soldado en la PCB a través del canal serie conectado a un PC. Se configura la interface terminal al iniciar, con los valores según indica la Figura 4.7. (en el campo puerto COM seleccionamos el que tengamos conectado en el PC: Figura 4.7. Configuración del canal serie. c) Se introducen las siguientes instrucciones AT de configuración del modulo siguiendo el mismo orden indicado. Después de cada instrucción el modulo responde un OK confirmando que la instrucción se ha ejecutado correctamente, se visualiza en terminal donde se están escribiendo las instrucciones: 35 AT à Conecta con el modulo AT&F* à Pone todos los registros internos por defecto ATS512=4 à Activa visibilidad y conexión ATS555=4 à Activa visibilidad y conexión después del PowerUp ATS554=0 à Para que active el S555 después del PowerUp ATS0=1 à Configura el Auto-Answer para que sea automático ATS536=1 à Para que acepte los comandos AT remotamente. ATS610=$7FFF à Configura los puertos GPIO como salidas. AT+BTN=”string”à Nombre del módulo. p.e: “COLCHON” AT+BTK=”pin” à Pin contraseña del dispositivo p.e: “0123” AT&W à Guarda a memoria no volátil los registros modificados AT+BTN? à Comprueba configuración,pregunta nombre dispositivo d) Desactivamos alimentación. ¡Modulo Bluetooth configurado! 4.1.1.3. Configuración Teléfono Móvil o PDA para enlazar con modulo Bluetooth de la PCB. Para configurar el teléfono o PDA con parámetros que hagan al dispositivo capaz de conectarse con el modulo Bluetooth integrado en la placa electrónica de control, se parte de la instalación del software aplicación SCA este realizada, este software es una aplicación creada específicamente para dar soporte complementario a toda la aplicación del sistema junto con la placa electrónica de control. Es un software creado para ejecutarse en entornos de dispositivo tipo móvil o PDA y que tengan instalado el sistema operativo Windows Mobile. En este proyecto no se ha creado tal aplicación solo se ha hecho uso y configuración, es necesaria para realizar el proyecto completo en la parte de comunicaciones. Las configuraciones necesarias para la comunicación: a) Se ejecuta y configura el software de Microsoft para poder conectar el PC con el teléfono o PDA que tiene sistema operativo Windows Mobile: ActiveSync 4.5 (Interface Software de Microsoft) b) Se realiza conexión desde el pc con el teléfono con opción “Conectar” del software. Una vez conectado, se clica en “Explorar” y a continuación se entra en la ruta del teléfono: \Program Files\SCA\cfg 36 c) Se corta el archivo config.xml, se copia en el escritorio del PC, se abre con un editor de textos p.e: (“Bloc de Notas”) y se modifica la dirección MAC a la que deberá conectarse el teléfono móvil o PDA, dirección escrita en el modulo Bluetooth de la PCB electrónica de control. Código del archivo config.xml: <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <Cfg> <idioma>es-ES</idioma> <BTSelect>008098e68a64</BTSelect> <pin>0000</pin> <tempsSenyal>1000</tempsSenyal> </Cfg> d) Se enlaza el teléfono móvil o PDA con el modulo Bluetooth de la PCB; introduciendo el mismo “PIN CONTRASEÑA” de enlace que se ha introducido al configurar el modulo Bluetooth de la PCB: “0123”. Se activa el Bluetooth del teléfono o PDA. Sistema preparado para conectar y funcionar! 4.1.2. Adquisición de datos. Feedback. Para conseguir el sensado de la temperatura que hay en todo momento en el colchón en cada uno de los pads electrotérmicos se necesitan sensores de temperatura, existen de varios tipos: - Termopares: Utilizan la variación de tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos. - Resistivos: son las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la variación de la resistividad de un conductor con la temperatura. También son sensores de temperatura los PTC están caracterizados por un coeficiente de resistividad positivo (Positive Termal Coefficient). También lo son los NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo. - Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente. Para la aplicación se escogen los de tipo NTC (las de tipo PTC son idénticas en características simplemente su variación resistiva es inversa respecto las NTC frente a la temperatura), estos son idóneos por ser muy pequeños, de fácil integración en los tejidos Dirección MAC del Bluetooth de la PCB 37 electrotérmicos y también de fácil conexionado al tener solo dos cables por ser resistencias que varían su valor óhmico al variar la temperatura que se les aplica ya sea por contacto directo o por radiación. Son muy económicos, pero tienen la necesidad de realizar un circuito acondicionador antes de procesar la señal que captada ya que su grafica de respuesta resistencia-temperatura es logarítmica, la necesidad es conseguir una grafica lineal o lo más parecido a una recta para que todos los valores sean proporcionales o lo mas proporcionales posibles sin influenciar el rango de sensado en el que trabajara el sensor. El sensor elegido es de la marca EPCOS modelo B57861S0103F45, sensor de temperatura NTC de 10k a 25ºC, temp. min -40ºC, temp. máx. 100ºC Figura 4.8. Sensor de temperatura NTC modelo B57861S0103F45, marca EPCOS. 4.1.2.1. Linealización sensor de temperatura NTC. Existen diferentes formas de acondicionar señales obtenidas de un sensor de temperatura, estas se determinan según el tipo de sensor comentado anteriormente, en el caso de los NTCs un circuito que funciona suficientemente bien para la aplicación en cuestión ya que esta no necesita gran precisión en la captación de la magnitud temperatura, y es muy fácil de implementar por su sencillez, a la vez que es económico por utilizar solo un componente además del NTC, es el circuito que compone una resistencia R en serie con el termistor, se confecciona un divisor de tensión conectando en serie el termistor y una resistencia RT, y alimentando el conjunto con una fuente de tensión V tal como muestra la Figura 4.9. Figura 4.9. Linealización del termistor mediante divisor de tensión. 44 Figura 4.16. Diagrama de bloques del microcontrolador PIC 16F883 de Microchip. 45 Los periféricos del microcontrolador que se utilizan en la aplicación són: - Timer0: Para realizar un “watchdog” del sistema. - ADC, pines AN0, AN1 y AN2: Para convertir las 3 señales multiplexadas de los 3 NTCs. - USART, pines RX y TX: Para recibir los datos procedentes del Bluetooth. - Tres pines E/S, RB1, RB2 y RB3: En modo salidas para la activación de los tres elementos de potencia que activan los 3 pads de forma independiente. - Interrupción de “overflow” Timer0: Para poder realizar proceso de contaje de veces que realiza un determinado tiempo el timer. Watchdog de seguridad. - Interrupción dato recibido por puerto serie: Para poder leer datos recibidos por puerto serie. Estos periféricos tienen pines de conexión hardware que deben conectarse adecuadamente para el funcionamiento correcto. El conexionado del microcontrolador con los elementos que controlara este y el conector de programación con una resistencia en “PullUp” de 10k en el pin 1 de Reset para realizar la programación sin fallos, son: Figura 4.17. Conexionado completo del microcontrolador en la aplicación. Teniendo el hardware conexionado correctamente con el microcontrolador, este debe programarse con el código creado específicamente para la aplicación. La programación se realiza a través de un programador que sea compatible con microcontroladores PIC. En este proyecto se ha utilizado el programador ICD 3 con el software MPLAB de la misma marca MICROCHIP, este software permite programar el código generado con su editor de texto en el micro, además de poder depurar el código con el “Debugger” que tiene el mismo software. Los pasos de programación del microcontrolador PIC una vez se ha depurado completamente el código son: a) Se conecta el conector de programación en la PCB, este con las líneas de Vcc, Data, Clock, Reset y GND, respetando el orden acorde con el del programador 46 ICD 3, este se conecta al PC donde está el software MPLAB instalado. Se conecta alimentación independiente de la PCB. Se abre el proyecto del programa código realizado en lenguaje C a cargar en el micro, teniendo el software MPLAB instalado en el PC, se abre todo el proyecto de código creado. Se conecta con el programador seleccionando la opción Programmer >>> Connect. Despues Programmer >>> Program. Si la programación se realiza correctamente, en la ventana de registro del software aparecerá Programming succefully/Verify. b) Se desconecta alimentación de la PCB y luego micro conector de programación. ¡Programa cargado en el micro! 4.1.4. Potencia para actuadores. Con el control del sistema establecido, se implementa la parte de potencia que suministra energía de forma controlada e independiente a los pads electrotérmicos. Estos, a nivel eléctrico, son resistencias que se calientan a la circular corriente eléctrica a través ellas. Por tanto se necesita un elemento de tipo interruptor que deje pasar la corriente eléctrica cuando se active en su control. Se establece que la corriente eléctrica que circula por los pads sea continua (DC) y no alterna (AC) para evitar complicar la electrónica de potencia con elementos tipo triac o relés ruidosos que necesiten de un control software más complejo que un ON/OFF al tener semiciclos positivos y semiciclos negativos en la aplicación de la energía (AC). Con corriente continua (DC) la aplicación de la energía en los pads es constante y en un solo sentido, por tanto la electrónica o componentes de potencia son mas sencillos, y el análisis relación potenciatemperatura es más preciso al aplicarse constantemente la energía. Para el suministro de la energía en cada pad se escogen transistores mosfets de tipo N, en concreto de la marca FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, modelo FDS8870 – MOSFET, N, con encapsulado SO-8, este es un componente de potencia de 8 pines, conectados internamente en el componente de forma que eléctricamente son 3 conexiones, las que tiene un Mosfet teórico; Gate, Drain y Source. Figura 4.18. Patillaje y encapsulado del Mosfet de potencia FDS8870 – MOSFET, N. 47 El fabricante de este componente asegura que aguanta una tensión DC entre sus conexiones Drain y Source de hasta 30V, y circulando un máximo de intensidad de 18A entre esas dos conexiones. Por tanto es idóneo para los pads térmicos de la aplicación que como máximo se aplicaran 30V DC en ellos y el pad que consume más intensidad es el tronco a 2,8A. Un mosfet para cada pad que dejara pasar la corriente eléctrica entre los pines Drain y Source a modo de interruptor este activado por el pin Gate, que se activa por tensión. Esta es la diferencia principal de un transistor convencional, este necesitaría una determinada corriente en la base para entrar en saturación, esa corriente podría ser demasiado elevada para ser suministrada directamente por un pin del microcontrolador, este capaz de mantener 3,3V de tensión en cualquier pin configurado como salida siempre que la demanda de corriente en ese pin sea inferior a 25mA, esta condición y la de tensión y corriente de potencia máxima (30V a 2,8A) que debe suministrar el componente de potencia, determinan que un solo transistor sería insuficiente, por tanto, se necesitaría la combinación de varios en cascada (Darlington) y con sus correspondientes resistencias de colector, base y emisor en cada transistor. Este conjunto completo resulta más complejo y costoso que un solo componente mosfet que no necesita resistencias para su funcionamiento y con solo una tensión baja entre la Gate y Source se activa el paso de corriente entre Drain y Source. Esta tensión VGS, el fabricante recomienda que este entre los valores de 1,5V y 2,5V, pero esa recomendación no es una limitación, ya que el hecho de que esa tensión sea más elevada, implica que la resistencia entre los pines Source y Drain aumente ligeramente, en la aplicación es despreciable este cambio (rDS = 0,0039Ω aprox. Con VGS = 3,3V), por tanto, se conecta el pin Gate directamente al pin de salida del microcontrolador sin ninguna resistencia. El conexionado de los 3 mosfets con el microcontrolador y los pads electrotérmicos es el siguiente: Figura 4.19. Conexionado completo de la parte de potencia. 48 4.1.5. Alimentación de la electrónica. La alimentación para todo el sistema es la misma, es decir, la parte de control y la parte de potencia se alimentan con la misma tensión DC, de esta forma se unifica en una sola Fuente de alimentación general, esta de 24V DC, para cumplir así normativas de seguridad de baja tensión en contacto con el cuerpo humano. Tanto la electrónica como los pads electrotérmicos, están dimensionados para soportar hasta 30V DC, por tanto existe un rango de trabajo de 4V de exceso para en un caso utilizar otra fuente de alimentación de tal tensión y conseguir más aceleración calorífica de los pads electrotérmicos. Figura 4.20. Esquema de la alimentación del sistema. Para alimentar la electrónica de control partiendo de una tensión general de 24V DC, se integra en esta un convertidor DC/DC, este capaz de convertir de 24V DC a 3,3V DC, es de la marca TRACO POWER, modelo TSR 1-2433 , es capaz de suministrar 1A de corriente a 3,3V, suficiente para alimentar la placa de control al completo, esta con los consumos de: el microcontrolador, el modulo Bluetooth, 4 LEDs de indicación, y componentes pasivos de tipo resistencias y condensadores, un consumo total máximo de la placa electrónica de unos 400mA aproximadamente (dependiendo de si está conectado o no el modulo Bluetooth bajara esta corriente). 49 Figura 4.21. Convertidor DC/DC, marca TRACO POWER, modelo TSR 1-2433. Este componente es idóneo para esta aplicación, ya que sus dimensiones son muy reducidas en comparación otros componentes con la misma función, como pueden ser reguladores de la serie 78XX, LMXX, etc., estos son poco eficientes ya que necesitan disipar la energía calorífica que no transmiten al circuito que siguen y que por tanto se pierde, a la vez que necesitan de disipadores de calor en algunos casos de dimensiones que agrandan el conjunto de la placa electrónica a la que van soldados. En este caso la necesidad con estos componentes no tan eficientes seria de colocar un disipador del triple del tamaño que el propio componente o colocar dos reguladores que repartieran la energía a disipar, un dato a tener en cuenta es la tensión que deberían disipar en forma de calor en la aplicación: 24V DC de entrada, y salida del regulador 3,3V DC, una tensión de 20,7V DC recaería en el componente, disipación obligada y gran pérdida de energía, eso si el fabricante permite esta implementación sin quemar el componente, entonces deberíamos colocar un regulador de 12V DC para entrar 24V DC, y justo después otro para entrarle estos 12V DC y salir 3,3V, incluso con esta configuración sería necesaria la colocación de disipadores en los dos reguladores. Es mucho más eficiente el componente elegido al ser un convertidor y no un regulador, este no pierde prácticamente energía, su eficiencia según fabricante es de hasta el 96%, utiliza mismo patillaje que los reguladores convencionales, tiene un tamaño menor que estos y no necesita un disipador de calor, este alcanza en esta aplicación valores de hasta 30ºC de temperatura trabajando a tensión máxima de 30V DC en su entrada. Tiene un circuito implementado en el interior con protección por cortocircuito. Un dato importante es que la tensión de entrada del componente puede ser la establecida entre los rangos de 5,5V a 32V DC, esta característica proporciona un rango de trabajo idóneo para la aplicación, y permite unificar la fuente de alimentación. Convierte la electrónica de control en más universal en el aspecto de alimentación. En la entrada y en la salida del componente se colocan condensadores de 470 nF para un buen desacoplamiento y suavizado de posibles fluctuaciones (filtrado de ruido) en la alimentación de toda la placa electrónica de control. La parte de potencia para alimentación de los pads electrotérmicos debe ser dimensionada según las pruebas de consumo máximo realizadas en el apartado “3.3.3. Respuesta de calor del conjunto textil electrotérmico”. Según las pruebas el conjunto textil electrotérmico consume un máximo de 7A a 30V DC, este dato es suficiente para dimensionar la fuente de alimentación que alimentara a todo el sistema. Se determina la 50 elección de una tensión de trabajo de 24V DC para cumplir normativa y se dimensiona un margen de intensidad mayor para esta tensión de trabajo para no forzar la F.A. y poder proporcionar la demanda de intensidad en caso de que aumente por arrugas en los textiles electrotérmicos, estos reducen su resistencia eléctrica al arrugarlos: Fuente Alimentación = Placa electrónica (0,4A) + Pads electrotérmicos (7A) P = V ∙ I (4.4) Potencia del sistema completo = V ∙ I = 24V ∙ 7,4A = 177,6W (con margen) Se escoge la fuente de alimentación general del sistema marca XP POWER, modelo PBM200PS24-C, 200W, esta fuente de 24V DC de salida proporciona energía suficiente para calentar los 3 pads a la vez y alimentar la electrónica de control, sin funcionar la F.A. a un nivel máximo de potencia. La entrada de esta se conecta directamente a la rede de 220V AC 50Hz, puede suministrar una intensidad de hasta 8,4A, frente a los 7,4A que consume el sistema completo (con margen), funciona sin problemas. Se activa un pequeño ventilador que tiene integrado para refrigerar su interior cuando esta detecta una demanda de más de 100W. Es una fuente de tipo conmutado, por tanto no tiene transformador. Está diseñada para sector médico, eso nos asegura protecciones de seguridad por posibles fugas de corriente. Figura 4.22. Patillaje y encapsulado de la fuente de alimentación general del sistema marca XP POWER, modelo PBM200PS24-C, 200W. Cumple las siguientes normativas de EMIs y seguridad: - Emisiones EN55011 & FCC Clase B conducción y radiación - Corrientes harmónicas EN61000-3-2, Clase A - Voltaje “Flicker” EN61000-3-3 - Inmunidad ESD EN61000-4-2, nivel 3 Criterio A - Inmunidad a la radiación EN61000-4-3, nivel 3 Criterio A - EFT/”Burst” EN61000-4-4, nivel 3 Criterio A 51 - “Surge” EN61000-4-5, nivel 3 Criterio A - Inmunidad conductora EN61000-4-6 3v, Criterio A - “Dips” y Interrupciones EN61000-4-11, 30% 10 ms, 60% 100ms, > 95% 5000ms, Criterio A, B, B - Homologaciones seguridad EN60601-1, UL60601-1, CSA22.2 No. 601-1 4.1.6. PCB física. Teniendo todos los componentes del diseño de la electrónica de control dimensionados, se crea un esquema teórico con los diseños implementados para la aplicación en concreto y luego un esquema de la placa física con software de diseño específico de circuitos electrónicos, para este proyecto se ha utilizado el software de diseño CAD ALTIUM Designer versión 6.0. Ver punto “1. Esquemas teóricos y layout de la electrónica.”. Esta placa es de doble cara, tiene componentes y pistas en las dos caras, algunos de los componentes son de tipo SMD (Surface Mounted Device), por tanto van soldados en la placa sin pads que atraviesen esta, son el modulo Bluetooth, el microcontrolador, resistencias de tipo SMD y los 3 mosfets, los demás componentes; condensadores, regletas, conectores de pines, LEDs, y el convertidor, son de tipo convencional, por tanto se sueldan atravesando la placa. La PCB se realiza con una maquina de tipo fresado para realización de circuitos electrónicos. A esta se le envía los archivos Gerber generados con el software de diseño CAD y automáticamente realiza la placa de cobre aislando las pistas y pads correspondientes. También realiza los agujeros de sujeción para colocar en una caja que la proteja: Figura 4.23. PCB cara Top Layer. Figura 4.24. PCB cara Bottom Layer. Se colocan 5 LEDs indicadores para determinar el estado en el que se encuentra el sistema en todo momento. Ver punto “4.2. Programa y funciones de la electrónica” 52 para conocer el significado de cada LED de indicación o situación. Se coloca una resistencia en serie en cada uno de estos LEDs para bajar la intensidad de luz a un nivel adecuado cuando se enciendan, se calcula el valor sabiendo que la tensión general de la PCB es de 3,3V y que la tensión que necesitan es de 2,5V aproximadamente para encenderse a un nivel de luz correcto, se determina una intensidad de menos de 20mA, corriente máxima que puede suministrar un pin E/S del microcontrolador elegido: Vcc = Vresistencia + VLED Vresistencia = 3,3V – 2.5V = 0,8V R = Vresistencia / I = 0,8V / 0,015A = 53,333Ω = 51Ω Se colocan condensadores de desacoplamiento en la alimentación de cada uno de los dos integrados (Bluetooth y microcontrolador) lo más cerca posible en el diseño de la PCB física para suavizar al máximo las fluctuaciones de tensión que pueda haber en la alimentación de estos, a causa de la gran demanda de energía en algunos instantes del sistema para abastecer los pads electrotérmicos. Condensadores cerámicos de 100nF. La placa electrónica con todos los componentes soldados tanto por la cara Top y por la cara Bottom es la siguiente: Figura 4.25. PCB cara Top Layer soldada. Figura4.26.PCB cara Bottom Layer soldada Es atractivo el detalle de las indicaciones de conexión escritos en la misma PCB para evitar errores de conexión de cableado en las regletas de potencia y en el conector de programación. Se puede observar el modulo Bluetooth en la cara Top, también el convertidor DC/DC los 3 conectores para los 3 NTC (S1,S2,S3) con sus resistencias de linealización y los condensadores de suavizado de captura, la alimentación de 24v en la regleta de color negro, los 5 LEDs de indicación de estado, el conector de programación de 6 pines (son solo 5 conectados electrónicamente, el sexto es para evitar quemar el micro en caso de invertir por error la posición de conexión del conector), y la regleta de ON/OFF general. En la cara Bottom se observa el microcontrolador PIC de 28 pines y 53 debajo los 3 mosfets de activación de los pads, además del considerable grosor de las pistas dimensionadas para soportar el paso de corriente de hasta 8A, son pistas de 4 mm de ancho en las conexiones de Drain y Source de los mosfets, el resto de la placa son pistas de 0,8mm de ancho. Figura 4.27. Electrónica de control completada. Las conexiones externas de la placa de control para su funcionamiento en la aplicación son las siguientes: Nombre Conexión Valor nominal Valor máximo Pines Prog. Conector de programación - - 5 + 1 (*) 24v DC Alimentación de todo el sistema 24V DC (8A) 30V DC 2 ON/OFF Interruptor general de todo el sistema - - 2 + 1 S1 Sensor NTC 1 10 kΩ 10 kΩ 2 S2 Sensor NTC 2 10 kΩ 10 kΩ 2 S3 Sensor NTC 3 10 kΩ 10 kΩ 2 C1 Carga 1 = (Pad_1) 24V DC (1,8A) 30V DC (2A) 2 C2 Carga 2 = (Pad_2) 24V DC (2,8A) 30V DC (3A) 2 C3 Carga 3 = (Pad_3) 24V DC (1,8A) 30V DC (2A) 2 (*) El conector de programación tiene 5 conexiones conectadas, la 6 esta al aire sin conectar como precaución en caso de error de conexión del conector invirtiendo su colocación. En ese caso Vcc se conectaría a la conexión 6 que no está conectada, evitando quemar el microcontrolador. Tabla 4.3. Conexionado y valores de alimentación y conexión de la placa electrónica. 60 En el programa se crean y configuran las variables siguientes: Nombre Función Tipo “In /Out” mosfet1 Activar/Desactivar pad1 Pin físico B1 Out mosfet2 Activar/Desactivar pad2 Pin físico B2 Out mosfet3 Activar/Desactivar pad3 Pin físico B3 Out dada_rebuda Indicador de dato recibido integer 8 bits In dada Dato recibido float In dada_zona Dato zona de trabajo float In dada_temp Dato temperatura de consigna float In dada_NTC1 Dato digital Sensor 1 integer 16 bits In dada_NTC2 Dato digital Sensor 2 integer 16 bits In dada_NTC3 Dato digital Sensor 3 integer 16 bits In dada_temp1 Dato temperatura pad1 integer 8 bits In dada_temp2 Dato temperatura pad2 integer 8 bits In dada_temp3 Dato temperatura pad3 integer 8 bits In wdog “WatchDog” de seguridad long In taula1[10] Array NTC1 de valores capturados integer 8 bits In taula2[10] Array NTC2 de valores capturados integer 8 bits In taula3[10] Array NTC3 de valores capturados integer 8 bits In n Variable para bucles integer 8 bits In Tabla 4.4. Variables de trabajo del programa. La configuración de trabajo del microcontrolador PIC para la aplicación es la siguiente: - Pines para el ADC: AN0, AN1, AN2, tensión de alimentación 3,3V de referencia. - Clock interno del ADC. - Puerto SPI desconectado. - TIMER0 con frecuencia de reloj interna y con divisor de 256bits. - TIMER1 deshabilitado. - TIMER2 deshabilitado. - Comparador deshabilitado. - Interrupción Puerto Serie habilitada. - Interrupción Overflow TIMER0 habilitada. - Interrupciones Globales habilitadas. - Oscilador interno de 8Mhz El funcionamiento del programa principal empieza por apagar los tres pads al conectar alimentación, luego realiza 10 capturas en cada uno de los 3 sensores de temperatura respetando los tiempos de conversión del ADC, se aseguran con 5ms de espera por cada conversión. Luego realiza una media aritmética de los 10 valores capturados en cada sensor; se suman los 10 valores y se divide el resultado entre 10, se realiza la operación 61 en cada sensor, se consigue así mayor exactitud, suavizando por software los posibles errores de captura que pudieran surgir, resultando un valor de capturado para tratar más propenso en donde están la mayoría de las 10 capturas realizadas. Se linealiza el valor obtenido pasándolo por la fórmula matemática de la linealización del NTC encontrada en la Figura 56 (Valor Digital Vs Temperatura). Y = 1,9732 ∙ x + 71,235 (4.5) Valor digital = 1,9732 ∙ Temperatura + 71,235 Temperatura = (Valor digital – 71,235) / 1,9732 Teniendo el dato de temperatura acondicionado de cada uno de los 3 sensores, se compara con el dato recibido del PDA a través del Bluetooth: Dato recibido > Dato NTC = Activa Pad, sino cumple la condición desactiva pad, esta condición de verifica para cada pad con su correspondiente sensor y valor recibido. Prescindiendo de estas comparaciones entre sensores y valores recibidos, el programa implementa una condición de seguridad de máxima prioridad, si cualquiera de los 3 sensores detecta más de 45ºC el sistema desactiva los 3 pads estén en el estado que estén. Para tratar el valor del dato recibido, este se recibe en forma de paquete de 8 bits, por tanto valores decimales hasta 255, este paquete determina la zona con el primer digito y la temperatura de la zona en cuestión con los 2 siguientes dígitos, se determina zona1= 1, zona2=2, zona3=0, la temperatura puede variar entre valores de 0 a 55, pero tendremos limitado por exceso de 45, ejemplo: si el micro recibe por puerto serie un 228 decimal indica que se desea temperatura de 28ºC en la zona 2 (pad2, tronco), si recibe un 035, indica que la temperatura de consigna es 35ºC en el pad 3. Para conseguir separar este paquete de 3 dígitos, primero se divide el dato recibido entre 100 para conseguir colocar una coma entre el primer y segundo digito, luego se utiliza la función “modf”, que guarda la parte decimal en su igualación y la parte entera en la variable final de dentro de los paréntesis: dada = dada/100; dada_temp = modf (dada,&dada_zona); //dada_temp = parte decimal //dada_zona = parte entera Luego se acondiciona la parte decimal volviendo a multiplar por 100 para obtener un entero, y a continuación se redondea con la función “ceil”: dada_temp = dada_temp * 100; //Operación para tener un entero dada_temp = ceil (dada_temp); //Redondeo 62 Teniendo el dato recibido ya acondicionado, se guarda en donde corresponda el valor de temperatura, ya sea de zona o de temperatura. Se implementa también una condición de dato diferente al valor establecido como indicador de “todo correcto”, este es dada = 255, es decir, este valor recibido solo sirve para indicar que el PDA esta “vivo”, si no recibe este valor en menos de 1 minuto, el sistema desactiva los 3 pads (explicado anteriormente). Para apagar los 3 pads por intención del usuario; al presionar “salir” en cualquier momento en la aplicación software del PDA, este envía el valor “010”, interpretado por el programa como OFF general. El software del PDA acota entre 18ºC y 40ºC la temperatura de selección, de esta forma nunca entrara en conflicto el uso de los valores 010 para apagado general y 255 para indicador de “todo correcto”. Todo el proceso se realiza cada 2 segundos para evitar intermitencias de los pads que puedan crear avería. Se consigue con la función “delay_ms(2000)” 5. Descripción aplicación software de control para usuario. Funciones. El software específico instalado SCA (Sistema de Confort Activo) en la PDA es de tipo sencillo, tiene tres pantallas, y las funciones que ofrece son las siguientes: - Conectar con dispositivo. - ON/OFF pad 1 (cabeza). - ON/OFF pad 2 (tronco). - ON/OFF pad 3 (pies). - Selección de temperatura pad 1. - Selección de temperatura pad 2. - Selección de temperatura pad 3. - Salir de la aplicación. Este software se utiliza a modo complementario de todo el sistema, no se ha creado en este proyecto, pero ha sido necesario para completar el funcionamiento completo. Es funcional en dispositivos con sistema operativo Windows Mobile instalado, y con hardware de comunicación Bluetooth. 63 El software se presenta con la siguiente pantalla: Figura 5.1. Pantalla de presentación del software de usuario. Se observa las dos opciones que ofrece la aplicación: Conectar y Salir, también se observa la indicación del estado en el que está el sistema: “DESCONECTADO”. Si se presiona Conectar y la PCB electrónica está alimentada con energía, el sistema enlazara conexión. Es posible que no enlace, puede ser por las siguientes razones: - La electrónica no está alimentada. - El Bluetooth del PDA esta desactivado. - No hay cobertura suficiente entre los dos dispositivos. 64 Figura 5.2. Pantalla de “Imposible conectar” del software de usuario. Si todo esta correcto el sistema funcionara de forma normal; se conectara con la placa electrónica al presionar “Conectar”, esta lo indicará con el LED azul, y la aplicación software entrara automáticamente en la pantalla de control del colchón electrotérmico. 65 Figura 5.3. Pantalla de “Imposible conectar” del software de usuario. Una vez dentro del control del colchón, el software por defecto tiene todos los pads apagados, y una temperatura de 25ºC seleccionada en cada uno de ellos. Permite encender cualquiera de los 3 pads de forma independiente, y seleccionar la temperatura que se desee en cada uno de ellos utilizando las flechas de subir y bajar, también permite apagar cualquiera de los pad dejar la configuración que más se adapte al deseo de confort del usuario. 66 Los pasos de prueba de funcionamiento son los de las figuras siguientes: Figura 5.4. Paso 1: Alimentar PCB y entrar en software de PDA. LED verde encendido. Figura 5.5. Paso 2: Conectar PDA con PCB. LED azul encendido. 67 Figura5.6.Paso 3: Encender Pad 1(Cabeza).LED rojo1 encendido, si Consigna > NTC1 Figura5.7.Paso 4: Encender Pad 2(Tronco).LED rojo2 encendido, si Consigna > NTC2. 68 Figura 5.8. Paso 5: Encender Pad 3(Pies).LED rojo3 encendido, si Consigna > NTC3. Figura5.9.Paso 6:Salir de la aplicación. Apaga todos los LEDs excepto de alimentación 69 6. Tests del sistema y conclusiones. Se somete el colchón a pruebas para obtener valores y relaciones potencia-temperatura, en definitiva la respuesta de calor del colchón electrotérmico. Las pruebas se realizan en valores máximos de aplicación de energía en los 3 pads a la vez para ver el fondo de escala del colchón en máxima potencia. - La primera prueba es la que nos da una referencia del potencial del colchón: a) Colchón conectado a 24V 7A, en vacío: Tiempo de aceleración = 10 minutos, 30ºC b) Colchón conectado a 24V 8,5A, con persona de 90Kg: Tiempo de aceleración = 7 minutos, 32ºC Figura 6.1. Situación a). Figura 6.2. Situación b). Se observa que el colchón responde mejor con un peso encima; mejora en aceleración y en temperatura, eso es debido al arrugado que se produce en el textil electrotérmico de cada pad, baja la resistencia eléctrica al estar más arrugado, eso provoca la circulación de más intensidad eléctrica y por tanto generación de más calor. También es debido que la masa térmica total es mayor, ya que el cuerpo humano también transmite calor, se crea un conjunto calorífico más potente y por tanto mejora el rendimiento. - La segunda prueba es una respuesta térmica del colchón en diferentes condiciones. La prueba consiste en aumentar la potencia aplicada en el colchón, aumentando la tensión en él, de forma que se vayan incrementando gradualmente los valores de temperatura del mismo. Se realiza una medida cada 5 minutos para asegurar la consigna ya que la aceleración es muy baja. Temperatura ambiente 23ºC. El objetivo es encontrar la situación de trabajo más eficiente del colchón activo. 76 - Esquema Layout de la electrónica de control (cara Top): 77 - Esquema Layout de la electrónica de control (cara Bottom): 78 - Esquema Layout de la electrónica de control (2 caras): 79 - Esquema Fotolito de la electrónica de control (cara Top): 80 - Esquema Fotolito de la electrónica de control (cara Bottom): 81 - Esquema Fotolito de la electrónica de control (cara Top-componentes): 82 - Esquema Fotolito de la electrónica de control (cara Bottom-componentes): 83 - Dimensiones de la caja de encapsulado de la electrónica de control: 84 - Dimensiones de las 2 tapas para la caja de encapsulado de la electrónica de control: 3mm de grosor 85 1. Bibliografía. - Enlaces en internet: Estado del arte y temas teóricos: - Cetemmsa: Empresa dedicada a la Investigación y Desarrollo de textiles y materiales para obtener “SMART TEXTILS” & “SMART OBJECTS”. http://www.cetemmsa.com/?q=es - Wikipedia: Web dedicada a la divulgación publica de conocimiento. Estado del arte de la “Fibra de carbono”. http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono - Wikipedia: Web dedicada a la divulgación publica de conocimiento. Estándar puerto serie RS-232. http://es.wikipedia.org/wiki/RS-232 - Normativas y pruebas realizadas por el “Ministerio de trabajo y asuntos sociales”. “NTP 400: Corriente eléctrica: efectos al atravesar el organismo humano”. http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/ Ficheros/301a400/ntp_400.pdf - I+D textiles térmicos de base electrónica y de base química. Pruebas realizadas por el “Ministerio de Industria Turismo y Comercio. http://tsearch.agrupaciontextil.com/system/files/PTCMEMORIA+T%C3%89CNICA+TEJIDOS+T%C3%89RMICOS.pdf - Documento definición y concepto de la Termoterapia. http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion/termoterapia_generalidades.p df - Normativa de RBT sobre tensiones en contacto con el cuerpo humano. http://www.fraef.com/files/contenidos/itc_bt_36.pdf - Documento de cálculo para Linealización de sensores. Linealizar NTC. http://www.terra.es/personal7/miguel.colom/trabajos/instrumentacion.pdf - Documento técnico sobre sensores y su acondicionamiento. http://www.bairesrobotics.com.ar/data/sensores_2003.pdf 92 93 94 - Archivo “76609 - Comandaments AT.pdf”: 95 96 97 98 - Sensor de temperatura NTC marca EPCOS modelo B57861S0103F45. - Archivo “89267[1] .pdf”: 99 100 101 108 109 110 111 112 113 - Transistor MOSFET. - Archivo “45589.pdf”: 114 115 - Convertidor DC/DC. - Archivo “328966.pdf”: 116 117 124 // ACTUACIÓN SEGÚN ESTADO if ((dada_NTC1 > 45) || (dada_NTC2 > 45) || (dada_NTC3 > 45)); //Desactivación total de seguridad por exceso de temperatura { output_low(mosfet1); output_low(mosfet2); output_low(mosfet3); } if ((dada_temp1>dada_NTC1) & (dada_temp != 10)) { output_high (mosfet1); } else output_low(mosfet1); if ((dada_temp2>dada_NTC2) & (dada_temp != 10)) { output_high(mosfet2); } else output_low(mosfet2); if ((dada_temp3>dada_NTC3) & (dada_temp != 10)) { output_high(mosfet3); } else output_low(mosfet3); dada_rebuda=0; // Bit flag = 0 delay_ms(2000); //Lee sensores y refresca estado pads cada 2 segundos } // Fin del While } // Fin del main 125 3. Video explicativo del proyecto. - Archivo “Video_funcionamiento_sistema”