Projecte d’industrialització d’un data logger

Titulació: Grau en enginyeria electrònica industrial i automàtica Alumne: Joan Fluvià Marin Enunciat TFG (o TFM): Projecte d’industrialització d’un Data Logger (Memòria) Director del TFG (o TFM): Raul Fernàndez Convocatòria de Lliurament: 10 de Juny del 2019 Abstract This project intends to collect all the procedures and concepts required from the own idea of a product, the consolidation of a product and its large-scale production. The product chosen is a Datalogger of temperature, atmospheric pressure and relative humidity, it will work on the chip ATMega328 from the famous ArduinoUno, keeping all the data locally in a SD card. A prototype has been developed to verify its functioning. Afterwards, the components were optimized and a specific PCB was designed for the product, besides designing the case for the prototype to give it a better appearance and consistency. Finally, a non-binding calculation was made to budget how much would it cost the large-scale production of the product. Resum Aquest projecte intenta ser un recull de tots els procediments i conceptes necessaris des de la idea d’un producte, a la consolidació del mateix i la producció a gran escala. S’ha triat com a producte un Datalogger de temperatura, pressió atmosfèrica i humitat relativa que treballarà sobre el chip AtMega328 del famós ArduinoUno, guardant totes les dades de forma local sobre una targeta SD. S’ha desenvolupat un prototip inicial per a verificar el seu funcionament. Posteriorment s’han optimitzat els components i s’ha dissenyat una PCB especifica per al producte. A més de dissenyar una carcassa per al prototip i així donar-li una millor aparença i consistència. Finalment s’ha realitzat un càlcul no vinculant de quan costaria la producció a gran escala del producte. Agraïments Primerament a me mare, principal finançadora de tot el projecte, a demés de tot el suport i ànims donats aquests mesos, igual que a la Mireia, que s’ha preocupat de ferma companyia quan m’entraven hàbits anti-socials deguts al estrès. Agrair també al meu director de projecte, Raúl Fernández, per tal com m’ha portat el treball. Si més m’ha donat total llibertat d’acció sobre com desenvolupar-lo, si els seus consells han sigut essencials per a la bona conducció del mateix. Agrair finalment a Marco Alarcón, un gran amic de me mare, qui m’ha ensenyat tots els temes fonamentals per a la impressió 3D. Índex 1. Introducció ............................................................................................................... 11 1.1. Objectius I abast ............................................................................................... 12 1.2. Motivacions ...................................................................................................... 12 1.3. Requeriments i limitacions ................................................................................ 13 2. Estat de l’Art ............................................................................................................ 15 2.1. Propostes actuals ............................................................................................. 15 3. Materials utilitzats .................................................................................................... 19 3.1. Material utilitzat en el prototip datalogger sobre la plataforma arduino .............. 19 3.2. Material utilitzat en el disseny i producció del datalogger.................................. 26 4. Desenvolupament del Prototip de Datalogger sobre la plataforma Arduino ............. 31 4.1. Metodologia de desenvolupament .................................................................... 31 4.2. Probes inicials del prototip datalogger basat en arduino ................................... 39 5. Desenvolupament de la industrialització del datalogger ........................................... 41 5.1. Disseny del prototip de la placa ........................................................................ 41 5.2. Fabricació del prototip final ............................................................................... 58 6. Resultats ................................................................................................................. 65 6.1. Probes de inicials ............................................................................................. 65 6.2. Probes de precisió i fidelitat. ............................................................................. 66 6.3. Probes d’alta duració. ....................................................................................... 67 7. Procés d’industrialització del datalogger. ................................................................. 69 8. Planificació .............................................................................................................. 71 9. Conclusions ............................................................................................................. 73 9.1. Valoracions personals ...................................................................................... 73 9.2. Conclusions tècniques ...................................................................................... 73 9.3. Treballs futurs ................................................................................................... 74 10. Referencies bibliogràfiques .................................................................................. 75 8 Llista de Figures Fig 1. tzonedigital datalogger [1] .................................................................................... 15 Fig 2. PCE-HT71N [2] .................................................................................................... 16 Fig 3. Log100 [3] ............................................................................................................ 16 Fig 4. Wifi-Testo saveris 2-T1 [4] .................................................................................... 17 Fig 5. Arduino Uno ......................................................................................................... 19 Fig 6. Datalogger Shield [6] ............................................................................................ 21 Fig 7. Prototype Shield ................................................................................................... 21 Fig 8. BME280 [7] .......................................................................................................... 22 Fig 9. Convertidor DC-DC Step-Up [8]............................................................................ 22 Fig 10. Carregador de bateries de liti [9] ......................................................................... 23 Fig 11. Bateria de liti....................................................................................................... 23 Fig 12. Gràfica descarrega bateries LiPo [10]................................................................. 23 Fig 13. IDE Arduino ........................................................................................................ 25 Fig 14. Bateria 18650, 3.7V, 2400mAh ........................................................................... 27 Fig 15. EAGLE Control panel ......................................................................................... 27 Fig 16. Eagle Schematic ................................................................................................ 28 Fig 17. EAGLE Board ..................................................................................................... 28 Fig 18. Connexió gràfica Arduino control ........................................................................ 33 Fig 19. Connexió esquemàtica Arduino control .............................................................. 33 Fig 20. Connexió gràfica Arduino potencia ..................................................................... 35 Fig 21. Connexió esquemàtica Arduino potencia ............................................................ 35 Fig 22. Diagrama flux del programa ............................................................................... 37 Fig 23. Shields amb mòduls soldats ............................................................................... 38 Fig 24. Prototip datalogger basat en arduino .................................................................. 39 Fig 25. Probes al exterior sobre prototip inicial ............................................................... 40 9 Fig 26. Estació meteorològica El Prat de Llobregat [XL] 11.5.2019 [11] ......................... 40 Fig 27. esquematic ArduinoUno [5] ................................................................................ 41 Fig 28. esquematic DataloggerShield [6] ........................................................................ 42 Fig 29. TP4056 [12] ........................................................................................................ 43 Fig 30. DW01A [13] ........................................................................................................ 43 Fig 31. LTC3426 [14] ...................................................................................................... 44 Fig 32. esquematic modul BME280 [7] ........................................................................... 44 Fig 33. esquema Atmel328P .......................................................................................... 47 Fig 34. esquema BME280, SD i RTC ............................................................................. 48 Fig 35. Carregador i convertidor d'entrada ..................................................................... 49 Fig 36. Hardware addicional ........................................................................................... 50 Fig 37. Dimensions arduino mega 2560 [22] .................................................................. 51 Fig 38. Situació components .......................................................................................... 52 Fig 39. Routejat pistes .................................................................................................... 54 Fig 40. PCB datalogger 3D............................................................................................. 56 Fig 41. Carcasa ArduinoMega ........................................................................................ 56 Fig 42. Disseny inferior carcassa.................................................................................... 57 Fig 43. Disseny superior carcassa .................................................................................. 57 Fig 44. Carcassa completa ............................................................................................. 58 Fig 45. PCB .................................................................................................................... 59 Fig 46. Components Mouser .......................................................................................... 59 Fig 47. Datalogger muntat .............................................................................................. 60 Fig 48. Connexió per a gravar bootloader ...................................................................... 61 Fig 49. Connexió calibració RTC .................................................................................... 62 Fig 50. Codi per calibrar RTC ......................................................................................... 63 Fig 51. Carcassa impresa .............................................................................................. 63 Fig 52. Cambra climatica ................................................................................................ 66 Fig 53. Resposta de datalogger en cambra climàtica ..................................................... 67 Fig 54. Proba 48h ........................................................................................................... 67 Projecte d’industrialització d’un Data Logger 16 2.1.2. Registrador de dades PCE-HT71N Aquest model es capaç de emmagatzemar 32.000 valors, però s’ha de tindre en compte que registra dos valors en cada mostra, per el que realment permet 16.000 mostres. Permet ajustar el sample-time, de 2s a 24h i el rang d’alarma des del seu software, el qual també permet fer anàlisis sobre les dades registrades. Funciona amb una pila de 3.6V substituïble i compta amb leds de monitorització. La comunicació i transferència de dades es realitza a través del connector USB. Fig 2. PCE-HT71N [2] L’abast del projecte vindria a esdevenir la creació i industrialització d’un datalogger dins d’aquesta gamma. No en cap cas el model mostrat, però sí d’especificacions similars. 2.1.3. Data Logger Log100 El Log100 es ja un salt bastant gran respecte models anteriors. Disposa d’una pantalla per visualitzar els valors actuals, així com permetre la programació del mateix (temps de mostreig o rang d’alarma) sens software extern. Permet també la connexió d’una sonda externa per a la mesura de valors. Compta amb una memòria de 60.000 valors, que es tradueix a un màxim de 30.000 mostres i està alimentat per una bateria, amb connexió a PC a través de USB. El seu rang de funcionament es de -30ºC a 70ºC i de 0% a 99% d’humitat relativa. Fig 3. Log100 [3] Un dels majors atractius d’aquesta gamma de dataloggers, es la possibilitat de transmetre les dades en temps real al ordinador, ampliant així la seva funció. Passant de ser sols un datalogger, a també ser part del sistema de control per a la regulació dels valors registrats. Estat de l’Art 17 2.1.4. Wifi-Testo saveris 2-T1 Aquest datalogger funciona amb piles estàndard AA i permet emmagatzemar fins a 10.000 valors per canal. Permet la programació del sample-rate de 1min fins a 24h amb un rang de temperatura de -30ºC a 50ºC, a demes, al igual que el primer model mostrat, compleix la normativa EN12830. L’atractiu d’aquest model, junt amb la gamma en la que es mou, es la capacitat de connexió i transmissió de dades per internet. Podent ser accessibles per a diferents usuaris a la vegada sense necessitat de cap acció sobre el dispositiu. Al igual que la gamma anterior, aquesta gamma pot transmetre les dades en temps real, convertint-los en dispositius per als sistemes de control de les condicions ambientals. Fig 4. Wifi-Testo saveris 2-T1 [4] Materials utilitzats 19 3. Materials utilitzats Com s’ha comentat a la introducció, el treball consta de dues parts ben diferenciades, òbviament, el material fet servir en elles també ho serà. A continuació es mostra una llista dels mòduls, components i materials i software utilitzats en el projecte en funció de en quina part del projecte hagin sigut utilitzats. 3.1. Material utilitzat en el prototip datalogger sobre la plataforma arduino 3.1.1. Hardware 3.1.1.1. Arduino Uno. L’Arduino (mostrat en la Fig 5) es el cor del prototip inicial a desenvolupar. Es l’encarregat de gestionar els perifèrics connectats al mateix, com demanar les dades als sensors i escriure’ls a la targeta SD. A demés permet una fàcil comunicació entre el processador ATmega328P i l’ordinador a través d’un altre processador (ATmega16U2), el qual es seu únic objectiu, es fer la conversió de dades USB-to-UART i a la inversa. Incorpora elements auxiliars de protecció per al processador i facilita la connexió amb perifèrics i/o elements auxiliars. El processador ATmega328P incorporat, es un microprocessador de 8-bits molt complet. Compta amb conversos digital-to-analog, permet interrupcions internes i externes, comunicacions via UART,SPI,I2C. Diversos rellotges interns, etc. A demés, aquest microprocessador incorpora ja instal·lat un bootloader, que permet la programació del microprocessador a través del protocol UART amb l’IDE d’Arduino. Fig 5. Arduino Uno Projecte d’industrialització d’un Data Logger 20 En la Taula 1. ATmega328P, es mostren algunes de les característiques més importants de l’Arduino. Microcontroller ATmega328P Operating Voltage 5V Input Voltage (Recommended) 7-12V Input Voltage (limit) 6-20V Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output) PWM Digital I/O Pins 6 Analog Input Pins 6 DC Current per I/O Pin 20mA DC Current for 3.3V I/O Pin 50mA Flash Memory 32Kb (ATmega328P) of which 0.5kB used by bootloader SRAM 2kB (ATmega328P) EEPROM 1kB (ATmega328P) Clock Speed 16MHz LED_BUILTIN 13 Length 68.6mm Width 53.4mm Weight 25g Taula 1. ATmega328P [5] Materials utilitzats 21 3.1.1.2. Datalogger Shield El Datalogger Shield (mostrat a la Fig 6) es específic per a Arduino, permet afegir una sèrie de perifèrics de forma molt senzilla i “neta”. A demes, incorpora un petit espai per a connectar altres perifèrics mitjançant soldadura. Compta amb un socket per a targetes SD, connectat a través d’un “level-shifter” 5v-to-3.3v a les entrades SPI de la placa Arduino. El fet de fer servir la comunicació SPI, “inutilitza” els pins 10,11,12 i 13 de la placa Arduino per a propòsits generals. Incorpora un rellotge de temps real DS1307Z connectat a través del protocol I2C. Aquest rellotge té l’adreça 0x68 dins del protocol I2C i no es modificable. El rellotge compta amb un cristall de ressonància propi i una pila a mode de bateria, per a comptabilitzar el temps encara que no estigui connectat a Arduino o aquest estigui desconnectat. Fig 6. Datalogger Shield [6] 3.1.1.3. Prototype Shield El prototype Shield es un mòdul d’expansió d’Arduino semblant al anterior, però força més basic. Aquest incorpora tota la zona central del mateix per a realitzar connexions soldades. Moltes vegades, quan s’experimenta amb Arduino, s’usen Breadboards. Unes plaques de connexió rapida per a la connexió d’Arduino amb els perifèrics o components passius. Aquestes connexions son molt dèbils i es arriscat el transport del mateix per possibles desconnexions. El prototype Shield intenta donar una solució a aquest problema. Un cop s’ha assegurat el bon funcionament del projecte sobre breadboard, es poden soldar d’una forma fàcil els components al Shield i assegurar així una connexió segura i eficaç. A demés, visualment es més elegant. Fig 7. Prototype Shield Projecte d’industrialització d’un Data Logger 22 3.1.1.4. BME280 El BME280 es un sensor fabricat per BOSH extremadament petit, capaç de capturar mesures ambientals tals com la temperatura, la pressió atmosfèrica i la humitat relativa. Permet una comunicació per els protocols SPI e I2C i la possibilitat de canviar l’adreça del protocol I2C modificant l’estat lògic d’un dels seus pins. El mòdul adquirit, vist en la Fig 8, està muntat sobre una placa d’acondicionament, que si bé, impossibilita la connexió per el protocol SPI, facilita la connexió del mateix sobre una breadboard. Aquesta placa incorpora level-shifters per a la conversió de voltatges de 5V a 3.3V (valor al que treballa el sensor), a demés d’uns pads que permeten seleccionar l’adreça I2C del sensor amb sols un punt de soldadura. Com en el cas anterior, al usar un protocol de comunicació, aquest inutilitza els pins A0 i A1 d’Arduino per als propòsits generals mentre es mantingui aquesta comunicació. Fig 8. BME280 [7] 3.1.1.5. Convertidor DC-DC Step-Up 0.9 to 5V. El mòdul de la Fig 9 es un convertidor genèric DC to DC Step-Up, un element capaç d’entregar una tensió regulada a 5V, amb una entrada variable d’entre 0.9V i 5V. Per a les necessitats del projecte, es un rang suficientment ampli. El convertidor utilitzat es genèric, per el que no s’han trobat especificacions sobre el microxip que implementa ni altres components, sols les característiques de funcionament del mateix. Fig 9. Convertidor DC-DC Step-Up [8] Materials utilitzats 23 3.1.1.6. Carregador per a bateries de liti El mòdul de la Fig 10. Carregador de bateries de liti es un carregador genèric per a bateries de liti d’una sola cel·la (3.7V). Al ser genèric, igual que en el cas anterior, no es proporciona informació sobre els components interns del mateix. Si en canvi, les característiques de funcionament i un esquema simple del connexionat del mateix. Vin de 5V, subministrat per connector Micro-USB, carrega de bateria fins a 4.2V, amb protecció de sobrecarrega i protecció de descarrega per sota dels 2.5V. Imax de 1A. Fig 10. Carregador de bateries de liti [9] 3.1.1.7. Bateria de liti Bateria de liti d’una cel·la de 3.7V i 650mAh. Es dona per suposat que aquesta bateria no serà capaç de complir les especificacions marcades en l’apartat 1, però al igual que el prototip en sí, la seva funció es sols demostrar les capacitats de funcionament abans d’avançar cap a la industrialització. Es creu convenient mencionar també la resposta de descarrega d’aquests tipus de bateries, ja que no compleixen cap linealitat, sent els valors de voltatge-carrega força peculiars. En la Fig 12 es mostra la grafica amb la relació voltatge-carrega. Es veu que la carrega máxima es a 4.2V, mantenint un rang força lineal en relació a la carrega fins arribar als 3.5V, on ja sense carrega, el voltatge cau en picat. Fig 11. Bateria de liti Fig 12. Gràfica descarrega bateries LiPo [10] Projecte d’industrialització d’un Data Logger 24 3.1.1.8. Polsadors i interruptors Els interruptors i polsadors son elements passius necessaris dins el prototip per al control del mateix. Els seus requeriments elèctrics son quasi fútils, ja que en el cas dels polsadors sols controlen senyals electròniques de control. I en el cas del interruptor, ha de suportar l’amperatge subministrat a Arduino. en cap cas superior als 0.1A. 3.1.1.9. Díodes LED Son necessaris per a monitoritzar el funcionament correcte del prototip. Es necessari saber si el Datalogger està encès, si aquest esta registrant dades, o si aquest té algun problema de funcionament. 3.1.1.10. Resistències Dins del prototip, les resistències tenen diferents funcions. Entre elles, està la seva connexió Pull-Up // Pull-Down, necessària per establir valors lògics a certs pins. O limitar la intensitat que circula per altres components com poden ser els leds per a la seva protecció. 3.1.1.11. Altres elements connectors Per al connexionat dels diferents mòduls entre ells, per obvi que sigui dir-ho, s’ha empleat l’ús de cables. Per les condicions de voltatge e intensitat dels mateixos, les especificacions dels cables usats son pràcticament menyspreables (més, sent aquest un prototip no definitiu). S’ha triat cable unifilar ja que es solda amb millor facilitat i precisió als pads perforats de la placa. S’han usat també “header pins” extra per a la transmissió de senyals entre els shields, sense que aquestes haguessin de passar per la placa Arduino i un bloc terminal per a la connexió externa de la bateria. Materials utilitzats 25 3.1.2. Software 3.1.2.1. IDE Arduino L’IDE (Integrated development Environment) d’Arduino es una aplicació OpenSource que compta amb un editor de codi, un depurador i un compilador. Conté un llenguatge de programació propi (.ino), aquest es un sub-llenguatge del conegut C++, per el que hi ha moltes estructures i funcions similars. Al ser un llenguatge propi, aquest conté funcions pròpies i fàcils d’usar com per exemple “AnalogRead()” o “DigitalWrite()” per a la comunicació dels pins del Arduino. A demés de comptar amb varies llibreries incorporades dins del IDE, o centenars d’elles escrites per tercers i descarregables des de diferents pagines web. L’IDE permet escriure el codi d’una forma estructurada, fer el debug del mateix, compilarlo i transmetre’l a un Arduino connectat al PC. A demés, permet la gestió de llibreries, tant internes, com externes. Comunicació Serial en temps real amb l’arduino, gràfiques de les dades recol·lectades per Arduino. O inclús, programar el bootloader en microprocessadors de la sèrie ATmega verges. A la Fig 13 es pot observar la interfície d’aquest programari. Fig 13. IDE Arduino Projecte d’industrialització d’un Data Logger 32 tinguin una entrada lògica baixa (0V) en repòs i una entrada lògica alta (5V) quan siguin polsats. En molts casos, quan s’utilitzen polsadors, es necessari el us de condensadors a mode de filtre per evitar el rebot intern del contacte boucing. En aquest cas, aquesta problemàtica s’ha solucionat per software, per el que no es necessari el us d’aquests condensadors. *S’ha assignat aquests dos pins, ja que son sensibles a interrupcions. No s’utilitzen en aquest cas, però si es volgués millorar el programa, no faria falta modificar el connexionat. 4.1.1.2. Leds S’incorporen dos leds al prototip. Un d’ells a mode d’indicador que s’estan registrant dades en la targeta SD. L’altre es per a indicar possibles errors, com ara la falta de targeta SD o la impossibilitat de connectar amb algun dels sensors. Aquest segon led indicarà aquestes falles mediant un codi de parpellejos. S’ha optat per a connectar en sèrie resistències de 220Ω, un valor superior al que tocaria per a aquests leds, però així s’aconsegueix una millor eficiència. Ja que aquests leds sols han de fer d’indicadors. 𝐼𝑙𝑒𝑑=𝐼𝑟=𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑙𝑒𝑑 𝑅=5−3.2 220 =8,1𝑚𝐴. 4.1.1.3. Datalogger Shield El muntatge del datalogger no té molta complexitat, però si es convenient explicar les seves connexions. Comunica la targeta SD amb l’arduino a través del protocol SPI. Arduino té definits els pins d’aquest protocol com MOSI, MISO,SCK en els pins 11, 12, 13 respectivament. El Shield respecta aquesta connexió, però a més, connecta el pin SS al pin 10 d’Arduino. El rellotge que incorpora el Shield, realitza la connexió amb arduino a través del protocol I2C. A través dels pins A4 i A5 d’Arduino (SDA i SCL respectivament). La seva adreça es 0x68 i no es modificable. El Shield a demés incorpora una sèrie de pins connectats directament al socket de la SD i al rellotge, entre ells, es troben el card detect CD, write protect WP, squarewave SQ i 3,3V. En el projecte, s’utilitza aquest CD amb l’ajut d’una resistència Pull-Up per a donar un estat lògic al pin 4 del arduino, que indicarà si la targeta està instal·lada o no. Estat baix (0V) si hi ha targeta, i estat alt (5V) si aquesta no està insertada. 4.1.1.4. BME280 El BME280 està connectat als pins A4 i A5 (SDA i SCL respectivament), a demés de Vin i GND. Es configura i transmet les dades dels sensors interns a través del protocol I2C. La seva adreça I2C per defecte es 0x76, però en el mòdul que es fa servir, es fàcilment modificable amb un punt de soldadura que uneixi el jumper pad que incorpora. Desenvolupament del Prototip de Datalogger sobre la plataforma Arduino 33 Fig 18. Connexió gràfica Arduino control Fig 19. Connexió esquemàtica Arduino control *Tant en un esquema com en l’altre, s’ha omes la connexió entre la placa arduino i el datalogger Shield, ja que aquesta connexió ve implícita en el muntatge i sols dificultaria la lectura dels esquemes. 4.1.2. Esquema de connexió de potencia. La majoria de components del prototip funcionen a 5V. Les opcions contemplades per a l’alimentació de tots ells, eren usar una bateria de dues cel·les de 3,7V en sèrie per a després connectar un convertidor Step-Down, o una bateria d’una sola cel·la i ampliar el seu voltatge a través d’un convertidor Step-Up. S’ha triat la segona opció, ja que es considerava més viable, tant a nivell econòmic, com a nivell de disseny. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 34 Com en l’apartat anterior, es proporcionen dos esquemes, un visual i un altre esquemàtic sobre la connexió dels mòduls i components a les Fig 20 i Fig 21. 4.1.2.1. Bateria El prototip està alimentat a través d’una bateria de liti de 3,7v. Aquesta subministra un voltatge màxim de 4,2V i un mínim de 2,8V abans d’arribar al Umbral on aquesta ja no es recarregable. 4.1.2.2. Mòdul de carrega La bateria es carrega a través d’un mòdul de carrega genèric, amb entrada micro-USB a 5V (al esquema, component 3). Aquest mòdul es capaç de carregar i mantenir el voltatge de la mateixa a 4,2V i compta amb sistema de protecció de sobre-voltatge. Cal comentar, que la massa de la bateria i la massa de la sortida del mòdul no son comunes. 4.1.2.3. Mòdul convertidor DC-DC STEP-UP La sortida del mòdul de carrega es connecta, a través d’un interruptor, a un mòdul genèric convertidor step-up, que augmenta qualsevol voltatge d’entrada, a partir de 0,9V, fins a 5V. Aquest voltatge s’introdueix al pin 5V d’Arduino per a alimentar-la. Des del web d’Arduino, no recomanen aquesta connexió per a la alimentació ja que no consta de protecció de sobre-voltatge ni d’inversió de polaritat, però es creu que es la forma més adient per alimentar la placa amb els mòduls usats. Connectar la placa a través del pin Vin, suposaria hagué de subministrar un voltatge major a 5V, per a compensar la caiguda de tensió del regulador de voltatge intern, a demés d’un consum evitable com es el d’aquest regulador lineal (regula convertint el voltatge sobrant en calor). 4.1.2.4. Led RGB S’utilitza un led RGB per a representar l’estat de la bateria, s’ha de vigilar, que com s’ha comentat abans, les masses de la bateria i la del circuit en general, no son compartides. Per el que s’usa a la massa del circuit. Depenent de la lectura que s’obtingui de la bateria, per l’entrada del pin analògic A3, s’activarà una de les tres sortides digitals que configuren el color del led RGB. Aquest conté una resistència entre el seu càtode i massa. Desenvolupament del Prototip de Datalogger sobre la plataforma Arduino 35 Fig 20. Connexió gràfica Arduino potencia Fig 21. Connexió esquemàtica Arduino potencia *S’ha de tindre en compte que els mòduls usats en el prototip no es corresponen idènticament als usats en l’esquema, degut a que son genèrics. Si però, la seva funció es similar i el connexionat idèntic. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 36 4.1.3. Software implementat En la Fig 22 es pot observar un diagrama de flux del programa que executa el microcontrolador ATmega328 d’Arduino. Comença el programa incloent les llibreries i la definició de pins usats per l’Arduino. En el setup inicia les connexions necessàries per als perifèrics i els inicialitza. En el loop, primerament comprova si s’està polsant el boto d’start/stop. El mode d’activar el datalogger es mantenint polsat el boto durant un cert temps, això evita els problemes que pot produir el rebot “boucing” dels polsadors. Aquest activa o desactiva una variable que permet decidir posteriorment si s’han de gravar dades a la targeta SD o no. Seguidament comprova si s’ha produït algun error amb algun dels perifèrics, en aquest cas, l’intentarà iniciar de nou. No sortirà d’aquest bucle fins que els perifèrics estiguin correctament configurats. Mentre es trobi en aquest bucle, arduino emet per un dels seus leds, mitjançant un codi de parpellejos, quin es el perifèric que produeix aquest error. El codi d’errors es troba al Annex 1. Recull les dades dels sensors i del rellotge de temps absolut. I registra quin es l’estat de la bateria, mostrant-lo per el led RGB. Si la variable RUN esta activa, el micro-controlador gravarà les dades obtingudes a la targeta SD cada 30 segons. En el cas que aquesta estigui buida, primerament crearà una capçalera indicant el nom de cada variable. En el cas que RUN sigui falsa, passa a comprovar el boto de resset, i si aquest està polsat el temps necessari, esborrarà les dades que es troben en la targeta SD. En l’últim punt, comprova si s’ha generat algun error, i si es el cas, desactiva la variable RUN. El codi torna a executar-se des del principi del loop. El codi complet es pot trobar al Annex 2. Desenvolupament del Prototip de Datalogger sobre la plataforma Arduino 37 Fig 22. Diagrama flux del programa Projecte d’industrialització d’un Data Logger 38 4.1.4. Muntatge en protoshield Un cop s’ha verificat cadascun dels esquemes anteriorment descrits i que el programa es compatible, s’ha passat a soldar els mòduls i components en la prototipeShield. Permetent així una bona robustesa del prototip i una mida considerablement menor al usat fent servir protoboards. S’ha intentat en la mesura del possible, que tots els mòduls i components es trobessin en la part superior dels shields, mentre que el cablejat es trobés en la part inferior. A efectes pràctics, no té cap conseqüència, però si es molt més agradable visualment. La disposició dels components tampoc té una metodologia estricte, més allà d’usar una que permetés que tots els components entraven adequadament. Si s’ha previst, que els terminals, com la connexió de la bateria, entrada de carrega o interruptor, fossin accessibles. Cal comentar també, una petita modificació en un dels mòduls, específicament el Step-up booster. Que si més, la seva finalitat en un principi era ser usat en “power bancs” per a mòbils, en aquest cas, es l’alimentació de la PCB. Per el que s’ha preferit eliminar el connector USB que porta integrat, que a demés de no aportar funcionalitat, destorba. Tot seguit, s’adjunten unes quantes imatge de com han quedat els shields usats amb els mòduls i altres components ja soldats. No es creu necessari explicar el connexionat dels mateixos, ja que aquest ja està descrit anteriorment en els apartats 4.1.2 i 4.1.3. Fig 23. Shields amb mòduls soldats Desenvolupament del Prototip de Datalogger sobre la plataforma Arduino 39 4.2. Probes inicials del prototip datalogger basat en arduino Un cop soldats tots els elements i mòduls , s’ha verificat el correcte funcionament del prototip tot aplicant una bateria de proves. Com ara, e funcionament tant amb alimentació via USB, com per la bateria externa. La correcte mesura del estat de la bateria, i la seva monitorització per el led RGB, així com verificar els 5v estables d’Arduino amb independència de l’estat de la bateria. Les opcions de gravar dades, parar o esborrar la memòria, sense que aquestes interferissin entre elles i assegurar que els valors generats del sensor es corresponguessin amb els ambientals. S’haguessin volgut fer probes redundants sobre el codi d’errors quan falla algun dels mòduls, però al estar soldats, aquestes proves han hagut de ser descartades. A continuació es mostra una imatge del prototip ja muntat i connectat a la bateria externa. La imatge s’ha pres amb el dispositiu apagat, ja que la lluminositat dels leds no permetien una imatge de gran qualitat. Fig 24. Prototip datalogger basat en arduino Finalment s’ha fet una proba de funcionament al exterior durant un dia sencer per a comprovar la seva resposta al us intensiu, la autonomia amb la bateria externa, així com un com una coherència amb les dades obtingudes. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 40 En la Fig 25 es poden observar les gràfiques obtingudes per el datalogger, mentre que si s’observa una coherència força raonada en les dades obtingudes, totes força estables i amb una certa similitud a les mostrades en la Fig 26 de la estació meteorològica del Prat del Llobregat. Òbviament es veuen algunes discrepàncies, ja que el datalogger ha pres les dades al municipi de L’Hospitalet del Llobregat, que no compta amb la seua pròpia estació. El més preocupant vist en la gràfica, es l’autonomia del prototip, si s’esperava que pogués aguantar les 24h de proba, sols ha aconseguit registrar prop de 7 hores. S’espera solucionar el problema amb una bateria de bastanta més capacitat en el prototip final (passant dels 650mAh actuals als 2800mAh de la bateria 18650), a demés d’eliminar consums innecessaris del prototip. Com alguns leds que incorporen els mòduls de sèrie o altres integrats que no aporten valor al projecte. El que també es pot observar, es la protecció adequada de la bateria, mentre que la carrega completa s’ha realitzat fins a una mica més dels 4V de la bateria, en la descarrega el prototip s’ha desconnectat prop dels 2.5V per a protegir a la pròpia bateria. Fig 25. Probes al exterior sobre prototip inicial Fig 26. Estació meteorològica El Prat de Llobregat [XL] 11.5.2019 [11] En l’Annex 3 s’inclou el codi del scrip de matlab utilitzat per a llegir les dades i crear les gràfiques mostrades en la Fig 25. Desenvolupament de la industrialització del datalogger 41 5. Desenvolupament de la industrialització del datalogger 5.1. Disseny del prototip de la placa 5.1.1. Selecció de components Amb els schematics de cada mòdul i shields escollits, s’ha fet una tria dels components necessaris e imprescindibles per al muntatge del datalogger. Un exemple clar, es el ATmega16U2 per a la comunicació UART del arduino, on en el nostre projecte no té sentit de ser-hi. Del esquematic del ArduinoUno, Fig 27, els components essencials són el ATmega328PPU, el seu condensador d’entrada de 100nF, el CSTE16M0V53-R0 (oscil·lador amb condensadors incorporats), la resistència en sèrie de 1M, el botó de resset, amb la seva resistència pull-down de 10K i el LP2985-33DBVR (regulador de tensió a 3,3V), amb el seu respectiu condensador de sortida. Fig 27. esquematic ArduinoUno [5] Projecte d’industrialització d’un Data Logger 48 En la Fig 34, s’observen els components RTC (real-time clock) DS13072NZ [18], BME280 [19] i el socket [20] per a la microSD amb el seu level-shifter. El DS13072NZ es connecta al atmel328 a través del protocol I2C (pins 27 i 28), compta amb dues resistències Pull-Up en la connexió, tal com requereix el propi protocol. Té el seu propi cristall, de 32KHz i una font d’alimentació pròpia, per a mantenir un registre del temps real encara que el prototip estigui desconnectat. La targeta microSD treballa amb el protocol SPI, però a demés, treballa a 3,3V. Això fa que els inputs que li arriben (MOSI, SCK, SS) des del micro-controlador, hagin de ser transformats de 5V a 3.3V, d’això se’n encarrega el CD4050BDR [21], un convertidor d’estats lògics. El seu funcionament es uni-direccional, per el que sols permet rebaixar els voltatges, no ampliar-los. Per altre banda, els 3,3V entregats com estat alt del pin de sortida de la targeta SD (MISO), son lo suficientment alts com que per que el micro-controlador ho detecti també com estat alt. Per això aquest pin si es connecta directament al Atmel328. El socket de la targeta compta a demés amb el pin CD (Card Detect), una sortida que a través d’un sistema mecànic, quan s’introdueix una targeta, passa d’estat indefinit, a baix. En l’esquema també es pot veure el BME280, que es comunica amb el micro-controlador a través del bus I2C, però que treballa a 3,3V. Aquest protocol a diferencia del SPI, si necessita que la conversió de voltatges sigui bidireccional, i d’això sen encarreguen dos BSS138, conversors individuals, però bidireccionals. Un per la línia SDA i l’altre per la línia SCL. Cadascun d’ells va acompanyat de dues resistències Pull-Up de 10kΩ. A demés d’un condensador per a regular l’entrada del voltatge. Fig 34. esquema BME280, SD i RTC En la Fig 35 s’observen el carregador de la bateria (TP4056), el protector de sobre i descarrega de la mateixa (DW01A) i el boost-converter (LTC3426) per ampliar la seva sortida a 5V, circuit basat en els mòduls usats en el prototip inicial. L’alimentació del TP4056 es realitza a través d’una entrada microUSB amb un filtratge de 0.1µF. l’Integrat TP4056 consta d’un led que s’encén mentre es carrega la bateria, per a Desenvolupament de la industrialització del datalogger 49 indicar el seu estat de carrega (independentment de que el prototip estigui encès o apagat) i una resistència de 1.2K connectada al pin Rprog, que es l’encarregada de regular la intensitat entregada per l’integrat. Conté a la sortida un condensador de 10µF per a la regulació del voltatge. La sortida del TP4056 està connectada al positiu de la bateria, al interruptor de funcionament i al integrat DW01A (a través d’una resistència de 100). El integrat DW01A té connectats entre els pins VCC i GND la bateria i un condensador de 0.1µF (en paral·lel). S’ha de vigilar, que el pin GND d’aquest integrat es refereix al GND de la bateria, no en cap cas al GND del circuit. La comunicació entre aquestes dues masses, la realitzaran els mosfets integrats en el 8205A, que estaran controlats per el mateix DW01A. Aquest control es realitza en funció del voltatge detectat en la bateria (4.3V>Vbat>2.4V) i la intensitat detectada en el pin CS. Per això la resistència d’1K. A la sortida del interruptor es troba l’integrat LTC3426, que es l’encarregat d’elevat el voltatge fins als 5V. Conté un condensador tant a l’entrada com a la sortida per al filtratge del voltatge, un inductor de 2.2µHz entre els pins Vin i SW, i un díode schotty entre els pins SW i Vout. El control de Vout es funció del voltatge rebut en el pin FB. Per això implementa un divisor de tensió entre aquests dos pins i GND. Segons el seu datasheet, Vo=1.22*(1+R1/R2), per al cas aplicable la formula quedaria així. 𝑉𝑜𝑢𝑡=1.22∗(1+𝑅20 (95.3𝐾) 𝑅21 (30.9𝐾))=4.9826𝑉 La sortida del integrat serà l’encarregada d’alimentar tots els components que funcionin a 5V, així com al regulador de 3.3V. També cal comentat la connexió entre la sortida del interruptor (net: V42) amb el pin 26 del Atmega328, encarregat de mesurar la tensió de la bateria. Degut a que la bateria no comparteix GND amb tota la resta del circuit, s’ha decidit triar aquest punt per a la seva mesura. Ja que si comparteixen el mateix voltatge quan el prototip està encès. Fig 35. Carregador i convertidor d'entrada Projecte d’industrialització d’un Data Logger 50 En la Fig 36 es poden observar els botons de start i stop, connectats respectivament als pins 4 i 5 del micro-controlador, amb les seves respectives resistències Pull-Down, per a definir un estat lògic (baix) quan no estan polsats. També s’hi troben dos leds blaus connectats als pins 12 i 13 del Atmel328, que son els encarregats d’informar de l’estat de funcionament del dispositiu, així com per avisar d’eventuals errors. Els altres tres leds, son els encarregats d’indicar l’estat de la bateria, s’ha optat per tres leds individuals degut a la dificultat de trobar un RGB del estil SMD amb les característiques volgudes. Independentment d’això, com sols un d’ells ha d’estar actiu en qualsevol dels casos, comparteixen una única resistència per a limitar la intensitat que hi circula. També es mostra la resistència Pull-Up connectada al pin CD del socket de la microSD, per a determinar un estat lògic (alt) quan no hi hagi cap targeta insertada. Fig 36. Hardware addicional Un cop finalitzats els esquemes, convé usar un altre de les eines de EAGLE, el “ERC”. Aquesta eina fa un diagnòstic dels esquemàtics i remarca possibles errors i advertències. Per exemple; pins no connectats a cap línia, línies que es toquen entre elles (visualment) però no estan connectades per node entre elles, etc. Desenvolupament de la industrialització del datalogger 51 5.1.4. Definició de la placa S’ha pensat com a proposta, dissenyar el prototip de la mida d’un arduino mega, ja que hi ha un sortit força alt de carcasses per ells i els components hi poden entrar, encara que una mica ajustats. La placa arduino mega fa 4000x2100mil (101.2x53.34mm), s’ha acurtat 2mm la placa, ja que encara així, es conserva la funció de poder-se utilitzar amb les carcasses per al Arduino mega, i a la vegada es manté dins dels marges de 10x10Cm. Cosa que fa que el preu de fabricació de la placa no es dispari. Fig 37. Dimensions arduino mega 2560 [22] El disseny de la placa es realitza des de la vista board de EAGLE, es pot esborrar o redibuixar la placa ja existent. Al visor superior, es selecciona la capa 20dimension i seleccionant l’opció line o circle, es va dibuixant la forma amb la que es vol la placa. EAGLE disposa al visor superior del grid, on es poden ajustar, tant les unitats de mesura, com el valor d’aquestes. Amb aquesta quadricula, es fàcil dissenyar la placa amb la forma i dimensions que un desitja. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 52 5.1.5. Posicionat dels components Potser aquesta pugui semblar una de les parts més trivials del projecte, però tenint en compte la reduïda mida de la placa i la quantitat de components que ha de contenir, un mal posicionat dels mateixos impediria un bon routejat de les línies impreses. Els components apareixen automàticament en aquesta vista després d’afegir-los a la vista esquemàtica. Les marques vermelles d’aquests, son els anomenats pads, es refereixen a la part de la placa on es soldarà el component. La línia blanca es la mida aproximada del component, a demés s’afegeix el nom del component, tal com se’l hagi anomenat en la capa esquemàtica. Es important que el nom no quedi tapat per el propi footprint, o per les pistes dibuixades. Les línies grogues que uneixen els pads, anomenades de forma correcta Rats, son les connexions virtuals realitzades en l’esquemàtic que senyalen quin es el component més pròxim amb el qual un comparteix node. Es important, després de moure algun component, donar a la opció ratnest per a que redibuixi aquestes línies de nou. S’ha optat per amagar el valor dels components, des de Layer Settings amagant les capes tValues i bValues. En aquest projecte, no aporten molta informació, ja que el muntatge es fa amb uns components específics i venen marcats per el seu nom. Però en projectes sobretot del estil “do it yourself”, pot ser una opció a tindre molt en compte. Fig 38. Situació components Coses importants que s’han tingut en compte, ha sigut allunyar el més possible el sensor dels components que poguessin funcionar com a fonts de calor, com el regulador de voltatge, o intentar la màxima proximitat entre els components sensibles a la variació de voltatge (integrats) o reguladors de voltatge, amb els condensadors que estabilitzen la seva tensió de funcionament. Desenvolupament de la industrialització del datalogger 53 5.1.6. Routejat de les pistes Hi ha certs paràmetres de la placa impresa com l’amplada de pista, distancia entre forats o entre les pistes en sí, que depenent de la tolerància o el mínim exigit, poden apujar molt el preu d’impressió de la mateixa. A pesar de ser uns valors que a primera, son definits per cada fabricant de plaques, hi ha uns certs valors establerts mínims en que es basen moltes empreses i que permeten un preu assequible. En el moment actual, sols es precís fixar-se en l’espaiat i amplada mínim de pistes no sigui inferior a 6mil (0.1524mm) i que els forats en la placa no superin els 0.3mm. Aquest i altres paràmetres es possible fixar-los en EAGLE seleccionant: Tools→DRC. Els paràmetres aquí establerts permeten; per un costat, son els definits per defecte quan EAGLE treballa en mode automàtic, com es el auto-router. Per l’altre, fa un diagnòstic de la placa per a comprovar si tots els paràmetres establers es compleixen. La mida de les pistes adequada varia en funció de la intensitat que ha de suportar la pista, ja que si es massa petita, pot acabar cremant-se. En el cas d’aquest projecte, pràcticament tot son senyals electròniques de pocs mili-ampers, per el que el valor per defecte de 10mil es suficient. No es així per a les pistes de potencia, on la intensitat pot arribar fins a 1A. S’ha definit que totes les pistes d’alimentació (des de l’entrada USB fins 5V, ambdues incloses) es realitzin amb una amplada de 16mil, i les d’alimentació de 3.3V (a un màxim de 150mA), es realitzin a 12mil de mida. El routejat s’ha fet, primer amb una aproximació al mateix amb l’auto-router. Aquest calcula varies opcions possibles de traça de pistes. S’ha optat per a una que no tingués vies en l’espai del socket de la SD, ja que aquest va connectat a GND, i les vies al no estar protegides, podrien crear curt-circuits. Posteriorment, s’ha modificat la mida de les pistes de potencia amb la mida mencionada anteriorment i s’ha modificat la posició d’algunes pistes que entraven en conflicte amb aquesta nova mesura. S’ha optat per omplir els espais lliures de la placa, tant cara superior com inferior, de GND. Aquest procés millora considerablement la connexió i redueix les EMI (emissions electromagnètiques no intencionals). Aquest procés es realitza amb la funció polygon, que permet el dibuix de figures poligonals i posteriorment demana el nom del node al que han d’estar connectades. En aquest cas, GND. S’ha fet el procés dos cops, seleccionant en cadascun d’ells, en quina capa es volia realitzar (top o botom). Un cop s’ha creat el polígon, fa falta donar a ratnest per a visualitzar com queda la distribució. Al realitzar aquesta funció, es possible que moltes parts de la placa no quedin degudament omplertes de la capa de terra. Això es dona en zones que no tenen accés lliure a GND, ja sigui per altres pistes que en tallen l’accés o forats fets a les plaques. Una forma de solucionar aquest problema, es afegir una via en aquell espai on per una de les cares no hi hagi GND i en l’altre si, i seleccionant les opcions de la mateixa, dir-li que va connectada a GND. Finalment s’executa el DRC, que permet veure possibles errors i advertències en els components i/o pistes de la PCB. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 54 Fig 39. Routejat pistes En l’Annex 4, es pot trobar el routejat de la placa, a major format, i de cada cara per separat, per a una millor comprensió del connexionat. 5.1.7. Creació de gerbers Els gerbers son els fitxers amb el que treballen moltes manufactures per al processat de les PCB, a dia d’avui, el format gerber més utilitzat, i el que es fa servir en el projecte, es el RS-274S. Els arxius Gerber normalment es guarden en una estructura determinada, on cada arxiu conté un processat específic en la placa. Profile Delimita la mida de la PCB Drills Marca els forats que tindrà la PCB Cooper Marca el dibuix de coure que ha de tenir la placa Silkscreen Serigrafia amb la que compta la placa. Com el nom dels components Soldermask Marca el dibuix de la pel·lícula protectora que tindrà la PCB solderpaste Marca els pads dels components SMD, es adequat per a la creació del “stencil”, una eina que ajuda a repartir adequadament l’estany líquid quan es solden els components per aire calent. Taula 3. Fitxers Gerber L’arxiu Drills forma part dels gerbers, però té una extensió diferent, ja que no té tant a veure amb la impressió de la PCB, sinó més al fresat i perforat de la mateixa. Desenvolupament de la industrialització del datalogger 55 Excloent els arxius drills i profile, tots els demes arxius estan duplicats amb *_top, *_botom, depenent de si es parla de la capa superior o inferior. Es possible que l’arxiu Cooper tingui inclús més de 2 arxius, per a plaques amb pistes internes (més de dos capes). Però no es recomanable la fabricació d’aquests tipus de plaques si no es estrictament necessari. Es una tecnologia força cara. S’ha observat que en el mateix EAGLE, fa unes quantes versions, crear els gerbers no era complicat, però si una feina bastant lenta i repetitiva. Cada arxiu es tenia que generar manualment, incloent en ell les capes desitjades del projecte. En la versió actual (9.3.2), crear els gerbers es tan fàcil com donar-li al “CAM processor”. Automàticament mostrarà tots els fitxers dels Gerbers, per si es vol revisar que està tot com hauria d’estar, donant-li a “Process job”, el programa guarda al directori seleccionat la carpeta CAMoutput. Aquesta conté tots els gerbers necessaris que una empresa necessita per a fabricar a PCB. 5.1.8. Disseny de la carcassa Es possible que el disseny de la carcassa del producte pugui excedir del abast del projecte, més estant aquest dedicat a la branca purament electrònica, però degut al temps mort en l’espera d’entrega dels components (vinguts de E.E.U.U.) i les plaques impreses (vingudes de Xina), i la intencionalitat de dur a terme el projecte el més enllà possible, s’ha decidit dissenyar una carcassa acord amb la placa fabricada. En l’apartat 5.1.4, s’ha comentat d’usar una placa amb unes mides quasi idèntiques al arduino Mega, però degut a l’alçada de la bateria que incorpora, no es possible fer servir la majoria de carcasses dissenyades per aquest model d’Arduino. Sols son utilitzables les carcasses dissenyades per a la incorporació d’un Shield. Inclús en aquest cas, els botons disposats en la PCB no serien accessibles sense desmuntar la carcassa, així com tampoc ho serien les entrades exteriors, com el connector µUSB de carrega i el socket per a la µSD. Aquest es el motiu per el que es creu convenient crear una carcassa dissenyada específicament per al prototip a fabricar. L’eina d’edició emprada ha sigut el programa CATIA V5, un dels programes de modelatge 3D més potents utilitzats a dia d’avui en l’industria. El procés de disseny de la carcassa ha partit de l’adaptació de carcasses ja existents per al arduinoMega al nostre model de datalogger. Parametritzant primerament la PCB del prototip amb els components més rellevants muntats. En la Fig 40 s’observa com ha quedat la placa un cop parametritzada, es pot veure la forma característica de la placa amb els forats per als cargols de subjecció a la carcassa. Consta d’un bloc que representa el socket de la bateria i la pròpia bateria que incorporada el prototip final, a més dels 3 botons, el connector µUSB, el socket de la µSD i l’interruptor de funcionament. Les mesures de la placa i la posició de cadascun dels components ha sigut extreta de la visió “board” de EAGLE, mentre que l’altura i forma de cadascun dels components ha sigut allada en el seu datasheet corresponent. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 56 Fig 40. PCB datalogger 3D Seguidament s’ha passat a crear la carcassa pròpiament dita, prenent com a exemple un model ja creat però amb les demandes especifiques del nostre model de placa. En la Fig 41 es pot veure una carcassa per al model d’ArduinoMega. Fig 41. Carcasa ArduinoMega Com s’observa en la Fig 42, la nova carcassa consta amb els forats per als cargols de subjecció amb els que contava el model original. La mida de la carcassa també es el mateix, obviant els 2mm de menys que té la PCB del projecte. Si més, es fa evident que tres dels sis forats de subjecció de la placa no son accessibles degut a la mida del socket de la bateria, si son necessaris per a fer de topall i mantenir la placa a l’altura adequada. Consta amb unes estructures laterals per a centrar la placa al mig de la carcassa i unes petites llengüetes per a mantenir la placa subjecte sense la necessitat de cargols. També té unes llengüetes semblants per a mantenir subjecte la part superior de la carcassa. Fins aquest punt, tots els valors son quasi idèntics als del model de referencia de la carcassa del ArduinoMega, si s’ha agut de refer les entrades laterals per a permetre un bon accés als espais manipulables. Com son l’entrada µUSB, el socket de la µSD i l’interruptor d’encesa. Desenvolupament de la industrialització del datalogger 57 Fig 42. Disseny inferior carcassa La part superior de la carcassa, Fig 43, també està bassada en el model de referencia. Però en aquest cas s’ha hagut de desplaçar i triplicar l’accés dels botons, així com eliminar les entrades als pins (que el prototip final no té), substituint-los per petits forats de respiració, per a la bona mesura de les dades del sensor. Compta amb uns forats per a la bona subjecció les llengüetes de la part superior. La part més complicada de realitzar, ha sigut donar-li l’altura suficient per a que no xoques amb el socket de la bateria del datalogger, i a la vegada els accessos als polsadors tinguessin l’altura justa per a poder-los polsar de forma eficaç. Fig 43. Disseny superior carcassa Resultats 65 6. Resultats 6.1. Probes de inicials Un cop acabats tots els passos mencionats en tots els apartats anteriors, s’ha passat a fer les probes de funcionament necessàries per a comprovar el bon funcionament del prototip final. Primerament, s’ha comprovat que el datalogger fes la feina indicada. Gravar les dades adquirides amb el sensor quan se li demanava a través del boto “run”, parar quan es pressiona el mateix boto i el esborrat de les dades quan es pressiona el boto “resset”. Això s’ha fet amb l’ajut d’un ordinador per a llegir la targeta, i assegurar la bona escriptura de les dades. Un petit incís que cal fer, es que s’ha comprovat experimentalment que entre que s’encén el datalogger i s’inicia el procés de registrament de dades, sel ha de deixar uns pocs segons per a que el processador processi correctament el bootloader. (el bootloader instal·lat es força complex d’explicar, però resumidament i per al que procedeix en aquest cas, el que fa el bootloader es mantenir en espera el micro-processador un curt període de temps quan aquest s’inicia per si hi hagués una entrada del convertidor USB-Serial “AtMega1602” de la placa ArduinoUno). El fet d’iniciar el registrament de dades quan el bootloader encara s’està executant provoca un error en el procés de gravació de dades en la targeta. En aquest cas, la solució es pressionar el boto de resset amb el que compta el prototip, esperar a que finalitzi el bootloader e iniciar de nou el registrament de dades amb el boto run. Aquest error es indicat clarament amb el led indicador d’errors, per el que no hi ha perill de confondre’s i pensar que es guarden dades quan realment no es així. Projecte d’industrialització d’un Data Logger 66 6.2. Probes de precisió i fidelitat. S’ha verificat si les dades recollides per el datalogger fossin les corresponents al entorn en el que es troba. Això s’ha aconseguit amb l’ajut d’una cambra climàtica, de temperatura i humitat controlades, propietat de la UPC (Fig 52). Es creu que es la forma més correcte per a tindre un patró amb que comparar les dades obtingudes. Fig 52. Cambra climatica S’ha començat estabilitzant la cambra a les condicions ambientals (24ºC i 43%), seguidament s’ha augmentat la humitat fins al 61.3%, mantenint la temperatura constant. S’ha augmentat la temperatura fins a 40ºC, mantenint la humitat constant i finalment s’ha baixat temperatura i humitat fins a 15.8ºC i 29.1% respectivament. En la Fig 53 es pot observar amb asteriscos les dades reals de la cambra climàtica i una gràfica de les dades recollides per el datalogger. S’ha de tenir en compte els llargs plaços de temps entre mesures estables, ja que la cambra triga un temps considerat en arribar i estabilitzar-se en els valors demanats. També es adient comentar que hi ha una relació intrínseca entre la temperatura i la humitat, variar un paràmetre mantenint constant l’altre, per a la cambra usada es pràcticament impossible. Simplement regula els dos paràmetres buscant un equilibri fins arribar a la consigna demandada. La gràfica demostra una bona correlació entre els valors reals de la cambra i els adquirits per el prototip. Si fa falta mencionar que les dades obtingudes per el RTC en algun cas estaven malmeses (any, dies i hores amb valors completament aleatoris), i s’han hagut de modificar manualment per a obtenir gràfiques coherents en Matlab. Resultats 67 Fig 53. Resposta de datalogger en cambra climàtica 6.3. Probes d’alta duració. S’ha provat el datalogger durant el màxim temps suportat per la bateria fora al balcó. Com es pot observar a la Fig 54, la duració es aproximadament de dos dies. Es pot observar un temps de transició entre les 18:32h i les 22:19h. Aquesta transició es que el datalogger es va desconnectar, fins a que es va tindre constància del error i es va reiniciar manualment. Els pics de temperatura i humitats quan s’inicia el datalogger es degut a que ha registrat els valors de dins del habitatge fins que s’ha tret fora al balcó i el prototip s’ha aclimatat. Fig 54. Proba 48h Projecte d’industrialització d’un Data Logger 68 Gràcies a aquesta prova, s’ha detectat un altre detall a tindre en compte. La proba del datalogger s’ha fet amb el producte dins la carcassa dissenyada per al mateix. La carcassa del prototip ha sigut impresa en PLA per temes econòmics, s’ha observat que aquesta, degut al sol i temperatures ha tingut certes deformacions. (Finalitzada la proba, es va recollir el datalogger, però per descuit, es va deixar la part superior de la carcassa al balco i a l’abast del sol). S’aconsella llavors, al utilitzar el prototip, vigilar que les temperatures no superin els 40, ni que el sol incideixi de forma directe. (el PLA es comença a deformar als 60ºC). De cara a la industrialització del producte es tindrà en compte el usar un plàstic amb resistències tèrmiques superiors (c. ex. ABS o PP). Procés d’industrialització del datalogger. 69 7. Procés d’industrialització del datalogger. La intenció primera del projecte consisteix en crear un datalogger funcional capaç de ser fabricat a mitjana o gran escala, si més, s’ha vist que el pressupost invertit en el muntatge del prototip (sense comptar el disseny inicial, el cost de desenvolupament ni la ma d’obra de muntatge) ascendeix a 135.99€. Aquest preu a priori es excessivament car per a les característiques d’aquest datalogger, però com es veurà tot seguit, quan es fabrica un producte a mitjana o gran escala, aquest preu es redueix de manera dràstica. S’ha fet una estimació d’una tirada de 10.000 unitats per a fabricar, el preu de cadascun dels productes està detallat de forma acurada en el pressupost del projecte. La majoria dels components muntats sobre la placa han sigut comparats en la mateixa empresa on es van adquirir per al muntatge del prototip (Mouser). Mentre que per al prototip aquests es pagaven al preu marcat, si la demanda dels mateixos es multiplica per 10.000, en el pitjor dels casos la rebaixa es del 30% i en el millor d’ells, del quasi 90%. La demanda de les plaques aquest cop s’ha pressupostat en la pagina web PCBWay.es, ja que aquesta empresa compta també amb el servei de muntatge de components. Si bé anteriorment s’havia descartat el muntatge dels components per part d’una empresa externa per el preu excessiu del mateix, s’ha observat que per a tirades llargues de plaques aquests preus son quasi irrisoris. Sent per a 10.000 unitats processades, aproximat 0.45€ la impressió de cada placa i prop de 0.51€ el muntatge dels components. Cal obviar que aquests preus son amb la condició de que els components usats en el producte els proporciona el client, no l’empresa. Per a la fabricació de la carcassa, a través de la pagina Alibaba.com (una pagina dedicada exclusivament a la compra-venta al major) s’ha trobat un anunci d’una empresa d’extrusió xina que fabrica carcasses personalitzades per el client a 0.50€ la unitat (a partir de 100 unitats). L’empresa en qüestió es “Shanghai Qinuo Industry Co.Ltd”. Permet també triar el material del producte. Per últim, s’ha suposat de manera el més realista possible, un preu que englobés les instal·lacions, personal i altre material necessari (com ara l’embalatge) per a donar l’acabat final la producte. Amb el pressupost mencionat per a una tirada de 10.000 unitats, el preu de fabricació de cada producte seria de 26.62€. Un preu que inclús després de guanys, distribuïdors e IVA, seguiria sent competitiu amb els productes actuals del mercat de prestacions similars. En l’Annex 6 es poden trobar els pressupostos realitzats per a aquest projecte. Planificació 71 8. Planificació S’adjunta tot seguit el calendari de planificació vs realització (Taula 5) seguit durant tot el treball de final de grau. Està marcat en gris el temps que es pensava que es dedicaria a cada part del projecte, mentre que en taronja el temps real dedicat a cada part. Les franges estan delimitades per setmanes, ja que sent un projecte d’un quadrimestre de duració, no té sentit aportar informació més detallada. Es poden veure uns salts força peculiars entre els apartats de “disseny de la PCB” i “muntatge de components”, això es degut a que les plaques de circuit impreses es van hagué de demanar dos cops degut al mal disseny del footprint d’un dels components (BME280). En la columna de la dreta estan remarcades les dates més importants del projecte, el dia exacte del esdeveniment està marcat en la llegenda que acompanya al calendari de planificació (Taula 4). Taula 4. Llegenda Planificació 13-feb. Matricula TFG. 8-mar. Entrega Project Chapter. 29-mar. Entrega 1er Seguiment. 26-abr. Entrega 2on Seguiment. 17-may Entrega 3er Seguiment. 10-jun. Lliurament final. 8 to 19 jul. Defensa davant tribunal. Data prevista de realització Data real de realització Projecte d’industrialització d’un Data Logger 72 Taula 5. Calendari de planificació Conclusions 73 9. Conclusions Per a concloure aquest projecte, es creu corresponent fer certes valoracions, tant personals sobre el desenvolupament del treball, com tècniques e imparcials sobre el resultats obtinguts. 9.1. Valoracions personals Al iniciar el projecte, es tenia sols una idea de que es volia aconseguir amb el mateix, però no la forma, els passos a seguir o de que constaria el producte final. El desenvolupament ha resultat en gran part d’ell, una corba d’aprenentatge exponencial, on si, en els primers passos, amb un mínim de coneixement de programació sobre el IDE d’Arduino era més que suficient, en els últims passos s’han agut de tindre en compte la inter-connexió entre desenes de components, compres a proveïdors professionals o l’aprenentatge d’un software completament desconegut. Finalment, si be els resultats tècnics no son tant satisfactoris com es s’esperava, si es té molta satisfacció del treball realitzat durant tot el projecte. Cada problema trobat durant la realització del mateix, ha sigut una nova oportunitat per a millorar en coneixements i habilitats. 9.2. Conclusions tècniques El propòsit inicial del projecte ha sigut acomplert, s’ha dissenyat un prototip de datalogger funcional per enregistrar dades atmosfèriques. A més, aquest prototip es fàcilment produïble a gran escala, gràcies al seu disseny. El principal inconvenient per això, es una mala optimització tant del consum, com de la memòria interna del micro-processador. Sent aquest segon, un aspecte despreciable degut a que es un sistema embeded, sense possibilitats de connexió o modificació. Però el propòsit de consum si es un aspecte crític, sobretot en un projecte com aquest, on un dels seus punts forts hauria de ser l’autonomia. Es volia esdevenir un producte que tingues una autonomia de 7 dies, lo aconseguit al final, es una autonomia de 2 dies, i aquest es un aspecte crític a millorar.