Circuito electrónico para sensado de gases asistido mediante Arduino

Resumen

El presente artículo está basado en el desarrollo de un prototipo, el cual tiene como objetivo la detección de gases, tales como bióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos. El dispositivo estará conformado por un conjunto de sensores, tanto comerciales (MQ3 y MQ2) como propios, elaborados en el laboratorio químico de la Escuela Superior Tepeji. La función del dispositivo, inicialmente es detectar gases contaminantes presentes en el ambiente, los cuales representan un riesgo, según su grado de concentración. Una vez desarrollado el dispositivo, los resultados arrojados por los sensores respecto a su sensibilidad, tiempo de respuesta y resistencia, se podrán comparar con el objetivo de poder llegar a conclusiones fundamentadas, basadas en datos confiables capturados por el mismo dispositivo. El sensado del dispositivo se lleva a cabo a través de señales eléctricas-analógicas, las cuales son transformadas en señales digitales para ser mostradas en una pantalla de cristal líquido. Adicionalmente, el dispositivo capturará datos en tiempo real, los cuales serán recopilados en una computadora, para de este modo poder elaborar gráficas que muestren la variabilidad y comportamiento del gas sensado por el dispositivo.


Palabras clave: Sensores de gas, Instrumentación Digital, Arduino, Programación

Abstract

The present article is based in the construction of a prototype, which aims to the gas detection, for example: carbon dioxide (CO2), carbon oxide CO and HIDROCARBONS. This device is made of a set of sensors, two commercial (MQ3 AND MQ2) and the other made by our own (at the chemical laboratory of Escuela Superior Tepeji). Initially, the function of the device, is to detect the presence of gas contamination in the environment, which represent a danger, according to its degree of concentration. In the second stage of the work, the device will be compared with the reliability of the data thrown by the sensors with respect to sensitivity, response time and resistance, with the goal of being able to reach fundamental conclusions based in the reliable data captured by the device. The sensing process is carried out through an electrical signal, which is transformed into analog signal that is displayed on a LCD and in turn capture data in real time, which are compiled in a computer, in order to elaborate graphics that show the variability and behavior of the gas sensed by the device.


Keywords: Sensor, Arduino, Resistance, Programming

INTRODUCCION

La región Tula Tepeji es una ubicación estratégica para la colocación y llegada de empresas del sector industrial lo cual impulsa el desarrollo económico del estado de hidalgo, pero de igual manera esto provoca un impacto negativo respecto al medio ambiente ya que como bien se sabe, esta región está entre las zonas más contaminadas del mundo.

La Secretaria del medio ambiente y recursos naturales de hidalgo (Semarnath) mantiene en vigilancia la calidad del aire en la región tula Tepeji con ayuda de estaciones de monitoreo debido  que se concentran un numero alto de empresas; ésta ha reconocido que en la zona se han registrado picos altos de contaminación, además de señalar que su norma para medir la concentración de emisiones como el dióxido de carbono ha sido superada en algunas ocasiones. Este órgano expone que los vientos en la entidad permiten la dispersión de las partículas contaminantes, aunque esto no es suficiente para resolver la problemática.

El origen del CO2 es la combustión de algún combustible que contenga carbono, por ejemplo: petróleo, carbón, madera, entre otros. En general, la producción del CO es a causa de la combustión con bajos niveles de oxígeno, mientras que el CO2 se genera por combustión en altos niveles de oxígeno. Las principales emisiones del CO son a causa de procesos no industriales de combustión. Además de ello los efectos en la salud a causa de la presencia de este gas son: disminución en el transporte de oxigeno de la sangre, disfunciones cardiacas, penetración a los pulmones, daños al sistema nervioso, dolor de cabeza, mareos, fatiga; todo lo anterior afecta tanto a seres humanos como a la fauna silvestre.

Basados en lo expuesto, podemos otorgar un alto nivel de importancia a la detección de estos gases; lo cual se complica al ser tanto incoloros como inoloros. Es importante saber cuándo estos gases están presentes, principalmente en áreas cerradas como: laboratorios, salones y áreas de trabajo, porque son sustancias que en altas concentraciones pueden traer prejuicios

Actualmente existen distintos dispositivos que facilitan la detección de las concentraciones de CO Y CO2, por ejemplo los detectores MXmix-001 que tienen un costo de $12,468 pesos mexicanos o el Mxqdk-001 con un costo de $6,968, ambos dirigidos al sector industrial y laboratorios. El equipo de trabajo químico y electrónico dirigido por el doctor Venkata Krishna Karthik Tangirala y el maestro Gabriel Almazán Vega de la escuela superior Tepeji del Río, Hidalgo está desarrollando de un dispositivo químico - electrónico que permitirá la detección y sensado de estos gases, además de graficar el comportamiento del gas. Por otro lado, buscamos la construcción de un dispositivo que tenga un costo de producción relativamente bajo y sirva como experiencia laboral y de investigación aplicada a los alumnos relacionados con este proyecto.

2. ESTADO DEL ARTE Y REVISION DE LA LITERATURA

A continuación, en la tabla 1 Estado del arte, se muestran sucesos destacados atreves de la historia que han influido como antecedente para alcanzar lo que actualmente se tiene.

Fecha Antecedente Precursores
1648 Inventa la palabra “gas”. Jan Baptista Helmont
1800 Sensor infrarrojo. William Herschaly
George E. Smith
1990 Origen de los sensores químicos, con el desarrollo del electrodo de vidrio.  
1945 Creación del primer sensor. Walter Pepperly Ludwig
1969 Primer sensor inteligente de temperatura. Desarrollado por la empresa Honeywell
1982 Comienza el estándar de telefonía GSM (comunicación entre dispositivos).  
1998 Sensores de comunicación micro electromecánicos en 1mm en el proyecto Smartdust  
2010 Se introduce el sucesor del GSM, UMTS (fue una aceptación lenta)  
  El primer prototipo de Arduino fue fabricado en el instituto IVREA.
Más tarde David Cuartielles ayudo a mejorar la placa, haciéndola más potente, agregando puertos USB para poder conectarla a un ordenador		  

Tabla 1 Estado del Arte
(Mejia, 2016)

La siguiente información da a conocer algunos trabajos desarrollados recientemente, los cuales se caracterizan por un objeto de estudio similar al de este proyecto.

MARIO MATAMOROS DE LUIS Ingeniero en cómputo desarrollo el proyecto: “DISEÑO DE UN SENSOR PARA LA DETECCION DE UN GAS ESPECIFICO EN UN VEHRICULO AUTOMOTOR”. El desarrollo de este proyecto se basó en crear un dispositivo electro-químico el cual se coloca en los escapes de los autos detectando las cantidades de CO Y CO2 que son monitoreados en la Ciudad de México. El proyecto fue basado en un sensor amperometrico para detección, través de un electrolito solido YSZ y la conducción de iones de oxigeno del electrolito en un ambiente áspero de altas temperaturas. La implementación de este proyecto fue exitosa debido a que funciono para la detección de gases en el ambiente. (2013)

ALMUDENA DE LA PAZ  MENÉNDEZ, alumna de la Universidad Autónoma de Madrid del área de Tecnología electrónica y comunicaciones, realizo una tesis basada en la producción de un sensor de gases (CO Y CO2) con el objetivo de crear un dispositivo que tenga bajos costos de producción y rápida elaboración, por lo que ella opto por utilizar la plataforma Arduino, justificada en que la programación en Arduino es mucho más económica que otros métodos, además de  ser rápida y eficiente. La aplicación del dispositivo propuesto se aplica en lugares en los que se realicen procesos que impliquen el uso Monóxido de Carbono (CO) Y Dióxido de Carbono (CO2). Este proyecto aun esta en desarrollo ya que, si bien se alcanzaron los resultados esperados, la producción de su dispositivo aún está en proceso de optimizar costos y mejorar su interfaz. (Menendez, 2015).

En la siguiente tabla se puede apreciar las características de sensores comerciales, que pueden detectar la presencia de Dióxido de Carbono (CO2), Monóxido de Carbono (CO) Y Etanol

  Sensores comerciales
Características MQ2 MQ3
Descripción Este tipo de sensor es adecuado para para la detección de gas L.P, I-butano, propano, metano, alcohol, hidrogeno
Tiene una alta sensibilidad y un tiempo de respuesta rápido.
Es capaz de detectar la presencia de gas combustible y humo en concentraciones de 300 a 10,000 ppm
Incorpora una tensión analógica que únicamente requiere un pin de entrada analógica del micro controlador		 Este tipo de sensor es adecuado para detectar la concentración de alcohol en el aliento (similar a un alcoholímetro)
Cuenta con una alta sensibilidad y un tiempo de respuesta rápido
Este sensor proporciona una salida analógica resistiva basada en la concentración de alcohol
Cuenta con una larga vida útil
Trabaja con un circuito eléctrico simple
  Aspecto físico imagen 1
figura1: SENSOR MQ2 		imagen 2
figura2: SENSOR MQ3

Tabla 6 Tabla de Sensores Comerciales (Llamas, 2017)

3. MARCO TEORICO O CONCEPTUAL

3.1. Características de un sensor

Un sensor es un dispositivo que detecta una acción externa, temperatura, presión, etc. El sensor se encarga de transformar una señal física de entrada a una señal eléctrica de salida.

En la siguiente tabla (Tabla 2), se pueden apreciar los tipos de magnitudes de la naturaleza con las que puede trabajar un sensor, según su funcionalidad u objeto de estudio.

Ejemplos
Mecánica Velocidad, desplazamiento, fuerza, presión, flujo, masa, aceleración
Térmica Temperatura, calor
Eléctrica Carga, corriente, resistencia, tensión, capacidad, polarización, frecuencia
Óptica Infrarrojo, ultravioleta, visible
Química Humedad, gas, PH
Biológica Hormonas, proteínas, antígenos

Tabla 2 Ejemplo de magnitudes por su naturaleza (Menendez, 2015)
Los sensores se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios, los cuales se muestran a continuación:
Según el principio físico de funcionamiento:

Según el tipo de señales eléctricas que generan:

Según el campo de valores que miden:

Según la forma constructiva:

Según el tipo de variable física medida:

Como se puede apreciar en la clasificación, al hablar de sensores podemos observar una gran diversidad, contando cada uno de ellos  con características únicas, las cuales presentan un beneficio bajo ciertas condiciones respectivamente, de acuerdo al interés de estudio o la necesidad de detección de contaminantes.

En la tabla (Tabla 3), que se muestra a continuación, se mencionan las características de algunos tipos de sensores, los cuales son de nuestro principal interés ya que estos son utilizados para medir la calidad del aire.

Tipos de sensores Sensor electroquímico Sensor catalítico Sensor de estado solido Sensor infrarrojo Sensor de fotoionización
Características #Bajo consumo de energía
#Buena sensibilidad
#Selectividad
#Expectativa de vida		 #Expectativa de vida
#Alteración del catalizador
#Factores de corrección
#Calidad del sensor		 #Versatilidad
#Larga expectativa de vida		 #Robustos
#Ideales para la aplicación de altas concentraciones		 #Buena sensibilidad
#Respuesta rápida
#selectividad

Tabla 3 Tipos de sensores (Menendez, 2015)

3.2. Descripción de la placa de desarrollo Arduino

Arduino en una plataforma electrónica de código abierto (open-source) fundamentada en software y hardware accesibles y de fácil manejo, la plataforma de Arduino está diseñada para programar dispositivos electrónicos y así permitir que estos interactúen y presenten un funcionamiento autónomo. Arduino recibe entradas desde sus puertos digitales y analógicos, para con ellos gestionar en su entorno el control de los dispositivos electrónicos ya mencionados

Aparte de Arduino, existen más placas controladoras que aparentemente cumplen con la misma función, pero a nuestro parecer es la más  factible ya que nos proporciona los siguientes beneficios:

Es importante mencionar los nombres de los fundadores de Arduino; Massimo Banzi, David Cuartilles, Tom Igoe, Glanluca Martino y David Mellis.

Actualmente hay una gran diversidad de placas Arduino y a continuación se muestra en la Tabla no. 4 algunos modelos existentes  y sus respectivas características, con el fin de poder comparar la funcionalidad de cada una de estas placas

Tipo de Arduino características
Arduino UNO Es la última versión de la placa básica Arduino USB
Arduino Leonardo Es una placa electrónica basada en el ATMEGA32U4, Tiene 20 pines digitales de entrada/salida
Arduino DUE Es una placa electrónica basada en el Atmel sam3x8e. Es la primera placa basada en un micro controlador núcleo ARM de 32 bits
Arduino Yun Es una placa electrónica basada en el ATMEGA32U4 y el Atheros AR9331
Arduino TRE Fabricada en los EE.UU, se puede obtener hasta 100 veces más rendimientos con la TRE
Arduino Micro Se trata de una placa electrónica basada en el ATMEGA32U4, desarrolla en conjunto con Adafruit
Arduino ROBOT Tiene dos procesadores, uno en cada una de sus dos placas. La placa del motor controla los motores
Arduino Esplora Es una placa electrónica derivada de la Arduino Leonardo, que proporciona sensores integrados listos para usar.
Arduino Mega 2560 Esta placa actualiza y sustituye a la Arduino Mega y utiliza el Atmega2560, tiene 54 pines digitales de E/S
Arduino Mega ADK Es una placa electrónica con un Atmega2560, cuenta con una interfaz de cliente USB
Arduino Ethernet Es una placa electrónica con un Atmega328, 14 pines digitales de E/S, 6entradas analógicas, un oscilador de 16MHz
Arduino Mini Se trata de una pequeña placa de desarrollo originalmente basada en el Atmega168, pero ahora suministrada con el 328
Lilypad Arduino USB Es una placa electrónica que incluye el ATMEGA32U4, 9 pines digitales
Lilypad Arduino Es una placa Arduino circular diseñada para coserla en ropa, telas y otras aplicaciones
Lilypad Arduino Simple Placa electrónica diseñada para Wearables y e-textiles, a diferencia de la placa principal Arduino
Lilypad Arduino SimpleSnap Es una placa electrónica diseñada para wearables y e-textiles, similar a la simple solo que incorpora una batería de polímero de litio
Arduino Nano Esta placa es un diseño compacto basada en el ATmega
Arduino Pro Viene en versiones tanto de 3.3v/8 MHz como de 5v/16MHz, cuenta con 14 pines digitales de E/S
Arduino Fio Placa electrónica basada en el ATmega328P que funciona a 3.3v y 8MHz, cuenta con 14 pines digitales de E/S

Tabla 4 Tipos de placas Arduino (Menendez, 2015)

4. PROPUESTA

En la construcción inicial del prototipo para sensado de gases se considera la programación y uso de la placa Arduino. En la figura 1 se muestra el diseño del prototipo al que se pretende llegar. Se puede observar el kit de sensores que conformarán al dispositivo de detección de gases. Los sensores comerciales MQ3 y MQ2 se ubicarán al centro del dispositivo; además, en la parte inferior derecha se localizará el sensor químico elaborado en las instalaciones de la escuela superior Tepeji (laboratorio químico).

El kit contará con una pantalla LCD de 20x4 líneas programables que mostrara los datos sensados respecto al sensor seleccionado por medio de una botonera, para así comparar su desempeño.

El sensor MQ3 de color naranja y el sensor MQ2  de color rojo que se pueden apreciar en la figura no. 1 se caracterizan debido a que son capaces de detectar y sensar la presencia de gases como: alcohol, dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), etc. 

Del lado inferior derecho se puede observar de un color verde, una pastilla de óxido de cobalto la cual fue fabricada en la ESTe en el laboratorio de química, esto en colaboración con alumnos de la carrera de ingeniería industrial;  el sensor químico requiere de un circuito electrónico que comunicará por una pastilla de óxido de cobalto, una película, y un calentador que eleva la temperatura de la pastilla y así tenga la capacidad de sensar gases como el dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO).

Véase gráficamente en la siguiente figura la descripción del prototipo recién mencionada para generar una mejor comprensión de sus características

Uno de los principales objetivos a considerar en la creación del prototipo, es una buena presentación del mismo y además de ello, que las dimensiones del dispositivo sean  reducidas en la medida de lo posibles. A continuación en la figura no. 2 se muestra gráficamente las dimensiones de espacio del prototipo y de sus componentes.

imagen 3

Figura 3: Prototipo

imagen 4

Figura 4: Dimensiones

5. DISCUSION Y RESULTADOS

De acuerdo a la bibliografía consultada, se pudo encontrar un conjunto de proyectos desarrollados similarmente al presentado en este artículo, los cuales arrojaron los resultados esperados, por ejemplo, la confiabilidad del sensado, costos de fabricación aceptables de acuerdo a sus hipótesis planteadas.

De la gran cantidad de modelos Arduino mostrados en la tabla 4, inicialmente se decidió elegir el modelo Arduino UNO, tomando la decisión principalmente basados en su costo bajo y accesible. Por otra parte, su funcionalidad no es del todo aceptable y por ello se retomó la decisión y se consideró más factible desarrollar el prototipo con la placa Arduino Leonardo, debido a que el modelo de esta placa Arduino es capaz de brindar mayor cantidad de pines, de los cuales se piensa que es mejor tener un par de ellos disponibles para poder resolver futuras complicaciones

Algunas de las características que nos brinda Arduino Leonardo son las que a continuación se presentan en la Tabla 5:

Beneficios de Arduino Leonardo
Micro controlador ATmega
Voltaje de entrada 7 – 12V
20 pines digitales de 1/0 (7 salidas PWM)
12 entradas analógicas
32k de memoria Flash
Reloj de 16MHz de velocidad
Conexión micro USB
Cuenta con un botón reinicio

Tabla 5 Beneficios de Arduino Leonardo

Se desarrollaron una serie de prácticas electrónicas para su uso y comprensión.  Desde el prendido y apagado de LEDs, hasta la programación de una pantalla de cristal líquido asistidos por ARDUINO, fueron tan solo algunas de las prácticas que nos permitirán comprender la estructura del lenguaje ARDUINO y de este modo permite avanzar positivamente en la construcción de circuitos electrónicos controlados por Arduino.

6. AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a los maestros e ingenieros de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo Campus Tepeji que tuvieron intervención en el presente proyecto, por su ayuda y asesoría, además del equipo de desarrollo de sensores químicos de la Escuela Superior Tepeji por colaborar con nosotros.

7. REFERENCIAS

[1]Llamas, L. O. (octubre de 2017). Obtenido de LUISLLAMAS: https://www.luisllamas.es/arduino-detector-gas-mq/

Mejia, B. (2016). arduinodhtics. Obtenido de https://arduinodhtics.weebly.com/historia.html

Menendez, A. d. (2015). desarrollo de un sistema de deteccion de sustancias peligrosas. madrid.

Natulares, S. d. (2010). SEMARNATH. Obtenido de https://www.google.com.mx/search?q=semarnath&oq=semarnath&aqs=chrome..69i57j0l5.5885j0j7&sourceid=chrome&ie=UTF-8

 

[a] Escuela Superior de Tepeji, Ingeniería Industrial, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, javierantoniologa@hotmail.com

[b] Escuela Superior de Tepeji, Ingeniería Industrial, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, oscarruiz0302@hotmail.com

[c] Escuela Superior de Tepeji, Ingeniería Industrial, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, galmazan@uaeh.edu.mx