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Desarrollo de un prototipo de bocina electrónica
1. Justificación y objetivos
El trabajo desarrollado en este proyecto ha sido realizado gracias a la beca proporcionada por la
Fundación CIDAUT ubicada en el Parque Tecnológico de Boecillo, cuyo objetivo es la mejora de la
bocina de un vehículo mediante un circuito electrónico cuyos componentes principales son un transistor
de potencia y un microcontrolador. La necesidad de esta mejora viene dada por el desgaste de una pieza
mecánica, el ruptor. El desgaste, es producido por un arco eléctrico, debido al paso de la corriente por el
ruptor, provocando picos de hasta 20 A. Se pretende solucionar este problema sustituyendo el sistema de
apertura – cierre mecánico por un dispositivo electrónico de potencia (MOSFET).
Este circuito electrónico, gobernado por un microcontrolador, es una forma de control con
realimentación que indicará a la bocina la forma de actuar ante posibles variaciones de la frecuencia de
resonancia del avisador acústico.
Las especificaciones del sistema de control son:
1 – Tomar la señal del ruptor y reproducir su comportamiento mediante el semiconductor de
potencia en funcionamiento normal.
2 – Medir la frecuencia a la que esta funcionando la bocina dirigida por el movimiento del
ruptor.
3 – Tomar el control y oscilar de forma forzada si el uC no recibe la señal del ruptor. En modo
forzado el ciclo de servicio (duty cycle) es del 53%.
4 – Tomar el control en caso de que la frecuencia de oscilación natural se salga fuera de una
banda (±20 Hz) y trabajar en modo forzado.
5 – Soportar los desgastes mecánicos que se produjeran, por lo que una vez conocida la
frecuencia de trabajo, será almacenada en memoria no volátil transcurridos 2 s. de pitada y recuperada
para siguientes encendidos.
6 – Estar en funcionamiento más de 3 minutos y posteriormente reducir el ciclo de servicio al
31%.
7 – Arrancar en modo forzado, leyendo de la memoria la frecuencia almacenada y
posteriormente pasar a funcionamiento normal si la oscilación del ruptor es correcta.
Otro objetivo es la implementación del circuito electrónico en una PCB (Printed Circuit Board).
Previamente debemos diseñar el circuito con el software OrCAD y mediante la realización de diversas
simulaciones.
Conseguido esto, el siguiente objetivo es el desarrollo de un prototipo de pruebas, que nos
permita simular el comportamiento de la bocina real una vez fabricada.
Para la realización de todos estos objetivos ha de cumplirse con la normativa vigente
relacionada con componentes electrónicos, prevención de riesgos laborales, etc.
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Desarrollo de un prototipo de bocina electrónica
La familiarización con el trabajo en proyectos de I + D es otro de nuestros objetivos. Desde el
trabajo de oficina utilizando el software necesario, estudiando las distintas posibilidades de realización
del proyecto y tratando con proveedores para conseguir el material requerido, hasta el del laboratorio
haciendo ensayos y manejando instrumental.
2. Descripción del funcionamiento de la bocina original
La bocina es un actuador electromagnético, transforma la energía eléctrica en desplazamiento de
una membrana elástica, que provoca ondas de presión en el aire, es decir, sonido.
Sin entrar demasiado en detalle, podemos resumir los fenómenos que se producen durante su
accionamiento:
Los terminales de la bobina de cobre reciben alimentación eléctrica. La señal que soporta es de
12 voltios, con corrientes del orden de 6 amperios rms. Existe un elemento, el ruptor, formado por un
contacto móvil y otro fijo, que es accionado por el áncora, como se ve en la Imagen 1, de forma que abre
y cierra el circuito eléctrico de alimentación a la bobina, según su movimiento vertical, entrando y
saliendo del cuerpo de la bocina. El resultado es un funcionamiento intermitente, luego la bobina de
cobre recibe pulsos de alimentación, con una frecuencia de entre 300 y 500 Hz.
Imagen 1. Esquema del avisador
3. Descripción del circuito electrónico
Es obligatorio el cumplimiento de la directiva 2002/95/EC, relacionada con el contenido de
sustancias contaminantes. Todos los componentes electrónicos deben disponer de la conformidad RoHS
(deben ser libres de metales pesados, como es el plomo).
Antes de describir los diferentes componentes que forman el circuito electrónico (Ver Circuito
1), hay que distinguir dos partes claras en él. Por un lado vamos a tener la parte de potencia formada por
el diodo D2, el propio avisador acústico y el transistor T. Y por otro lado la parte de control formada por
el resto de componentes y cuyo elemento principal y “cerebro” del circuito va a ser el microcontrolador.
Los componentes del circuito son los siguientes:
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Desarrollo de un prototipo de bocina electrónica
D2
MOSFET
T
AVISADOR
V1
VCC
R2
R6
D1
DRIVER
10K
3K3
R3
47K
C
R5
Dz2
33uF
560
4V7
V1
R4
R1
T1
BJT
3K3
3K3
Dz1
4V7
C4
PIC12F629
REGULADOR 7805
IN
OUT
10
2
3
C1
100nF
GND
R7
1
100nF
1
2
C2
100nF
C3
10uF
R8
1K2
3
4
Vdd
Vss
GP5
GP0
GP4
GP1
GP3
GP2
8
7
6
5
Circuito 1. Circuito electrónico
™
La misión del Condensador (C), es suministrar al microcontrolador la energía necesaria para que
pueda grabar en su memoria EEPROM, cuando el circuito deja de ser alimentado. Cuando cesa la
alimentación, el diodo 1 (D1) debe bloquear el paso de corriente hacia la bocina.
™
El diodo 2 (D2) de libre circulación tiene la función de liberar la energía que queda acumulada en
la bobina del avisador acústico.
™
La resistencia R1 limita la corriente que circula por el zener, como medida de protección. Y el
diodo zener (Dz1) mantiene un nivel de tensión de 4,7V, cuando el circuito está alimentado por la
batería.
™
Al igual que R1 y Dz1, la misión de la rama compuesta por R2 y Dz2, es la de hacer comprender
al micro un estado lógico (0 ó 1) a través de un nivel de tensión de 4,7V ó 0V para comunicarle la
frecuencia a la que está sonando el avisador acústico, mediante una señal digital.
™
La resistencia R3 sirve para que la señal del ruptor esté referenciada a masa y siempre comience
en estado 0.
™
La resistencia R6 va conectada a la puerta del transistor, con el fin de dar una mayor estabilidad al
circuito al estar referenciada a masa.
™
El regulador de tensión 7805 transforma la tensión de nuestra batería a la tensión de alimentación
del microcontrolador (5V). Para un correcto funcionamiento de este dispositivo el fabricante nos
recomienda poner dos condensadores (no polarizados) de valor de 100nF, uno a la entrada y otro a la
salida del regulador, además de un condensador electrolítico de 10µF para obtener un mejor filtrado en la
señal de salida.
™
Las resistencias R7 y R8 sirven de protección al microcontrolador en caso de corto. R7 protege a
todo el micro y R8 protegería la patilla GP3, al estar conectada a la patilla de alimentación.
™
El driver está formado por un transistor bipolar BJT, la resistencia de base R4 y la resistencia de
colector R5. Con él conseguimos invertir la señal que saca el micro y transformarla a unos niveles de
tensión y corriente mayores para que el MOSFET pueda trabajar en conmutación.
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Desarrollo de un prototipo de bocina electrónica
™
El transistor MOSFET, es uno de los elementos más importantes del circuito. Permite eliminar el
arco eléctrico, pues su objetivo es la apertura o cierre de la rama de potencia, haciéndolo trabajar como
un conmutador, con la finalidad de producir el movimiento en la membrana del avisador acústico.
4. Descripción del microcontrolador
Es el “cerebro” del circuito. De este dispositivo va a depender el correcto funcionamiento del
avisador.
Teniendo en cuenta los requerimientos del cliente, llegamos a la conclusión de que las
características necesarias para el microcontrolador son:
™ 1 Timer de 8 bits
™ 1 Timer de 16 bits
™ 2 entradas
™ 1 salida
™ 1Kb de memoria de programa (FLASH)
™ 128 bytes de memoria EEPROM
™ 64 bytes de memoria SRAM
™ Capacidad de interrupción
™ Rango de operación de automoción: -40º - 125º.
Valorando todos estos detalles, escogimos un PIC de la marca Microchip, concretamente el
PIC12F629, el cual, es el de gama más baja de la familia PIC12 que tiene capacidad de interrupción.
Los pines tienen la numeración mostrada en la Imagen 2.
Imagen 2. Microcontrolador PIC12F629
Las entradas van conectadas a los pines GP5 y GP2, mientras que la salida del microcontrolador
es el pin GP4. El pin de alimentación Vdd esta conectado a la salida del regulador 7805, proporcionando
al microcontrolador la tensión correcta de alimentación (5V). El pin de masa Vss es conectado a la masa
general del circuito.
En cuanto al encapsulado, primeramente hemos escogido un PDIP de inserción, que montamos
en una placa de islas, para hacer pruebas. Después hemos usado uno de montaje superficial.
Se optó por programar en lenguaje ensamblador aunque sea más laborioso que en lenguaje C, ya
que en ensamblador ocupa menos memoria, por lo cual el uC puede ser más económico al necesitar
menos FLASH y RAM.
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Desarrollo de un prototipo de bocina electrónica
5. Descripción sobre el programa
El programa está escrito en lenguaje ensamblador, bajo el entorno de programación MPLAB.
Está formado por una serie de rutinas que se ejecutan de forma secuencial y que atienden a los eventos de
forma asíncrona por medio de interrupciones. Estas rutinas realizan las funciones de control
correspondientes a cada modo de funcionamiento: normal, forzado, chequeos, etc.
™ Funcionamiento en modo natural: El ruptor dirige el funcionamiento del sistema,
trabajando a la frecuencia natural. En cada flanco de subida y bajada del ruptor (señal que entra por GP2
del uC), la señal de salida (GP4 del uC) debe seguir a la del ruptor para que al pasar por el driver del
circuito, se invierta, y así conseguir que el MOSFET conduzca con el Duty Cycle complementario al que
está trabajando el ruptor. En el bucle que saca la señal en modo Normal, se arranca una temporización
que cancela los posibles rebotes que se pudieran producir. Esta temporización está fijada a un 10% del
periodo de funcionamiento. Después del vencimiento de esa temporización, se produce un cambio en la
salida digital que hace conmutar al MOSFET bien a conducción o bien a corte, según corresponda.
™ Arranque de la bocina: Cuando la bocina arranca, lee la frecuencia de la EEPROM, se
comprueba que ésta no esté fuera del rango (±20), pero si lo está tomaría una asignada por programa.
Durante los 4 primeros ciclos, está funcionando en modo forzado, dirigido por el microcontrolador.
™ Fallo del ruptor: En cada bucle de espera al flanco de subida o de bajada, se comprueba
que el ruptor no esté fallando, es decir, que no lleve más tiempo del debido a 1 lógico o a 0 lógico. Si
falla, la bocina entrará en funcionamiento en modo forzado.
™ Grabación en memoria del dato de frecuencia: En caso de que se cumplan las
condiciones adecuadas: ha pasado más de dos segundos y la bocina está trabajando en modo de
funcionamiento natural, se graba el valor de la frecuencia en la memoria no volátil. El proceso comienza
cuando se detecta en la entrada GP5 (entrada que indica el estado del pulsador), que el botón de
encendido ha pasado de estar de uno lógico a cero lógico. Este proceso dura aproximadamente 4 ms (5
ms según las especificaciones del fabricante). Después del proceso de grabación el programa permanece
en un bucle infinito hasta que se consume la energía que hay en el condensador C.
™ Funcionamiento en modo fallo por sobrecalentamiento: En caso de que la bocina esté
alimentada durante más de 3 minutos, en cualquiera de los estados en los que estuviera (funcionamiento
en modo natural o funcionamiento en modo forzado con duty cycle del 54%), pasaría a funcionamiento
en modo forzado con un DC del 30%.
™ Funcionamiento en modo fallo por salida de la banda de frecuencia: Después de los
primeros 700ms (255 pulsos) aprox. de pitada, se chequea que la frecuencia de funcionamiento está
dentro de los márgenes establecidos: ±20Hz. Si está dentro de esos márgenes, permanece en
funcionamiento en modo normal, de lo contrario, pasa a modo de funcionamiento forzado con duty fijo y
frecuencia fija.
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Desarrollo de un prototipo de bocina electrónica
6. Conclusiones
El resultado final de este proyecto es un prototipo funcional de una bocina, controlado por un
circuito electrónico cuyos componentes principales son un transistor de potencia y un microcontrolador.
En su realización se ha conseguido eliminar el arco eléctrico que producía el desgaste en la
pieza mecánica de la bocina por la que pasaba toda la corriente del circuito, y por tanto alargar su vida
útil. Esto se ha logrado gracias al circuito electrónico que contiene al semiconductor de potencia
(MOSFET), por el cual, ahora, pasa la corriente del circuito.
En cuanto a las especificaciones del software de control, se ha conseguido cumplir todas ellas.
El funcionamiento en modo normal ha sido el que más problemas ha supuesto, ya que la señal
analógica generada por el ruptor no es la más adecuada para nuestra aplicación digital al tener
oscilaciones en tiempos muy cortos (del orden de µs.).
Se ha implementado el circuito electrónico en una PCB. Previamente este circuito se ha
desarrollado con el soporte de un paquete software (OrCAD Capture) y mediante la realización de un
conjunto de simulaciones. Primero se hizo una PCB en placa de islas, con componentes de inserción.
Más tarde, se diseñó la PCB para montaje superficial con el programa OrCAD Layout, y después de la
fabricación en el laboratorio, se soldaron los componentes. Luego, se montó el circuito impreso en la
carcasa de la bocina y se introdujo en la caja que sirve de prototipo de pruebas, que permite simular el
comportamiento de la bocina real una vez fabricada.
Para la realización de todo este proyecto se ha cumplido con la normativa vigente en relación a
componentes electrónicos, prevención de riesgos laborales, sistemas electrónicos en vehículos, etc.
Nos hemos familiarizado con el trabajo en proyectos de I + D, ya que se ha realizado el trabajo
de oficina utilizando el software necesario para cada aplicación, estudiando las distintas posibilidades de
realización del proyecto y se ha tratado con proveedores para conseguir el material requerido e
información sobre programación y utilización del microcontrolador. Además se han realizado también
los trabajos necesarios en el laboratorio, por lo que se han utilizado componentes, herramientas e
instrumental electrónico de test y medida como osciloscopio, generador de ondas, polímetro.
Como líneas futuras de este proyecto se pueden plantear distintos puntos:
™La sustitución del ruptor por otro sistema, con el fin de que la señal sea adecuada para el
microcontrolador.
™Una futura producción industrial en serie.
™Un banco de ensayos para comprobar el correcto funcionamiento de las bocinas fabricadas por medio de
un software.
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