Implementación de un sensor de

campo electromagnético usando

Arduino

ANTONIO FUENTES SEMPERE

Tutor

Rodrigo Picos

Escuela Politécnica Superior

Universitat de les Illes Balears

Palma, 28 de septiembre de 2012

Índice

Pág.

1. Objeto del trabajo 1

1.1. Introducción 1

1.2. Normativa 1

1.3. Descripción general 3

2. Circuito electrónico 4

2.1. Esquema circuito 4

2.2. Ejemplo 7

3. Antena 9

3.1. Caracterización antena 11

3.2. Direccionalidad antena 14

3.3. Captación experimental 15

4. Arduino 17

4.1. Código Arduino 18

4.2. Ejemplo 21

5. Representación de datos 23

5.1. Código Matlab 24

5.2. Ejemplo 26

6. Conclusiones 30

6.1. Futuras ampliaciones 30

7. Bibliografía 32

1. Objeto del trabajo

1.1 Introducción

En la actualidad existe una gran preocupación por el efecto que las ondas electromagnéticas puedan provocar en las personas al cabo del tiempo. Aunque la mayoría de estudios se centran en las ondas cuya frecuencia es de 50/60 Hz, en este trabajo se pretende estudiar las frecuencias comprendidas entre 1 KHz y 20 KHz, un rango de frecuencias al que trabajan muchos aparatos eléctricos, como por ejemplo el refresco de los monitores, y que no se le suele prestar demasiada atención. Las principales fuentes de CEM de baja frecuencia son la red de suministro eléctrico (transformadores, líneas de alta tensión, etc), cables de suministro eléctrico, y todos los aparatos eléctricos. [1] Para la realización de estudios sobre el efecto que pueden causar las ondas electromagnéticas sobre nosotros es de vital importancia contar con métodos fiables y poco costosos de medir con precisión estas ondas. En este documento se describe el funcionamiento de un sensor de campo eléctrico de baja frecuencia (1KHz – 20KHz) fácil de implementar y de bajo coste (do it yourself), juntamente con el análisis e interpretación de la señal que dicho sensor genera.

1.2 Normativa

La normativa española establece en el Real Decreto 1066/2001 [2] un límite de exposición máximo para el público de 100 microteslas (100.000 nanotesla) para campos electromagnéticos de frecuencia baja. Estos valores están basados en la recomendación del Consejo de Europa de 12 de julio de 1999 (ref. 2) que a su vez tienen como referencia la guía presentada por la Comisión Internacional para la Protección contra la Radiación no Ionizante (ICNIRP) de 1998. Esta organización no gubernamental, reconocida formalmente por la Organización Mundial de la Salud (OMS), evalúa los resultados de estudios científicos realizados en todo el mundo y elabora unas directrices en las que establece límites de exposición recomendados. En 2010, el ICNIRP publicó recomendaciones nuevas en las cuales se elevó el límite de exposición para el público a 200 µT.

1

En el rango de frecuencia de 1 Hz a 1 MHz, que incluye la frecuencia de refresco de las pantallas, las recomendaciones especifican límites de exposición únicamente para evitar efectos nocivos en el funcionamiento del sistema nervioso (el único efecto que ha sido demostrado inequívocamente con evidencia científica). De esta forma, la normativa Española considera que las exposiciones a niveles de campo electromagnético por debajo de 100 microtesla (100.000 nanotesla) no provocan ningún efecto nocivo en la salud humana. La nueva normativa española establece en el Real Decreto 299/2016 [3] los valores límite de exposición (VLE) que se muestran en la figura 1 y figura 2. VLE relacionados con efectos para la salud para el campo eléctrico «in situ» de 1 Hz a 10 MHz.

Figura.1 - VLE 1Hz a 10 MHz

VLE relacionados con efectos sensoriales para el campo eléctrico «in situ» de 1Hz a 400 Hz.

Figura.2 - VLE 1Hz a 400 Hz

2

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

E 0 (

V/m

)

Frecuencia (Hz)

Valores límite de exposición

0,01

0,1

1

10

1 10 100 1000

E 0(V

/m)

Frecuencia (Hz)

Valores límite de exposición

1.3 Descripción general

En este trabajo se describe la implementación y el funcionamiento de un sensor de campo eléctrico de baja frecuencia (1KHz a 20KHz) de coste reducido. Para hacerlo de forma más sencilla y ordenada se ha dividido el proyecto en cuatro apartados diferenciados (figura 3): Circuito electrónico, antena, arduino y sistema de representación externo. A continuación se da una breve explicación de cada uno de ellos.

Figura.3 - Sensor campo eléctrico

Circuito electrónico: Este apartado incluye todo el tratamiento de señal, análisis y pruebas que se han realizado durante el transcurso del trabajo. Antena: En esta sección se explica que función tiene, los diversos tipos que hay y como crear de manera sencilla una antena. Ademas se realiza un análisis con bastante profundidad comparando dos tipos de antenas diferentes. Arduino: Como indica el nombre, en esta parte se expone toda la información necesaria sobre arduino, así como el código utilizado para el trabajo. Sistema de representación externo: Todo lo relacionado con el cálculo numérico y representación gráfica de los datos están incluidos en este último apartado. La idea general del trabajo es ser capaz de captar campos electromagnéticos de baja frecuencia con una antena, adecuar la señal recibida mediante el circuito electrónico, realizar la transformada rápida de Fourier con el arduino y mediante el bus serie transmitir estos datos hacia un sistema de representación externo, que en este trabajo se utilizará el software matlab. Es el encargado de componer y mostrar gráficamente el espectro de frecuencias del campo captado. Requerimientos del sistema:

Intervalo de frecuencias Tensión máxima alimentación

1 KHz ≤ f < 20 kHz 5 V

3

2. Circuito electrónico

Figura.4 - Circuito electrónico

Como se puede apreciar en la figura 4 en este apartado se estudiará todo lo relacionado con la parte de circuito del sensor. Para la realización del circuito se ha trabajado sobre una placa protoboard. Este es el modo más sencillo y práctico de estudiar el comportamiento de un circuito gracias a su gran facilidad para intercambiar componentes.

2.1 Esquema circuito

El circuito consta de dos amplificadores operacionales UA741 [5] polarizados a ±5 V y una serie de resistencias. Con dichos elementos se realizan dos fases de amplificación con los que se pretende ecualizar la señal. La primera fase es en lazo abierto, obteniendo una ganancia proporcional a la diferencia entre V+ y V- , donde V+ es la señal captada por la antena y V- es prácticamente cero. Hay que tener en cuenta que si la amplitud de la señal captada supera los 3.5 voltios el sistema se satura por la parte superior. La segunda fase se encarga de ajustar la señal para poder trabajar correctamente con la placa Arduino Mega, de modo que la señal que ésta reciba será positiva y menor a cinco voltios. Para ello se añade un offset de 1,5 voltios y una amplificación de 0,1 (R3/R2 - Figura 6). El offset de 1,5 voltios se logra mediante una división de la tensión de polarización utilizando dos resistencias.

4

Debido a las especificaciones de diseño (Vcc+ = 5V) el rango de frecuencias que se puede medir con este circuito es de como poco de 0 a 23000 Hz, tal y como se puede apreciar en la figura 5.

Figura.5- Voltaje máximo vs Frecuencia

Para ver con más detalle cómo se distribuyen y conectan los diferentes elementos físicamente se ha realizado un esquema a través de un soporte software [6] (figura 6) y una fotografía ilustrativa (figura 7). En ambas se pueden apreciar las diversas entradas y salidas del sistema así como la estructura y conexionado del circuito. Vin es la señal captada por la antena, Vo la señal amplificada y rectificada y Vcc la polarización necesaria para el correcto funcionamiento de los amplificadores operacionales.

5

Figura.6- Esquema circuito electrónico

Debido a la simplicidad del circuito el consumo del mismo es prácticamente nulo. Alimentando los amplificadores operacionales a ±5 voltios tan solo consumen 0,4 mA, lo que significa que apenas se necesitan 2 mW para hacer que funcionen correctamente.

Figura.7 - Protoboard con el circuito electrónico

6

2.2 Ejemplo

Para comprobar el circuito funciona correctamente se realizó una prueba sencilla. Para ello se alimentó el circuito con una señal sinusoidal de 8kHz de frecuencia y 1 V de amplitud directamente desde el generador de ondas (figura 8).

Figura.8 - Circuito sobre la protoboard en el centro, fuente de alimentación

arriba a la izquierda y generador de ondas en el centro arriba.

Una vez el circuito está alimentado se coloca una sonda en Vo y así poder ver la señal resultante en la pantalla del osciloscopio (Figura 9).

Figura.9 Osciloscopio, señal de prueba

7

Se puede apreciar que la pantalla del osciloscopio marca una frecuencia de 8.01 KHz y un valor rms de 1,72 V, confirmando así que tanto los cálculos teóricos como el diseño del circuito son correctos. Para saber concretamente el rango de frecuencia que puede medir el circuito se

ha realizado un diagrama de Bode (figura 10), del que se puede extraer que el

circuito empieza a atenuar a los 100 KHz de frecuencia.

Figura.10 - Diagrama de Bode del circuito amplificador

Una vez realizadas las pruebas alimentando el circuito directamente se pasa al diseño y realización de una antena capaz de recibir con nitidez estas señales.

8

0

20

40

60

80

100

120

140

1,00 10,00 100,00 1.000,00 10.000,00 100.000,00 1.000.000,00

Am

plit

ud

(m

V)

Frecuencia (Hz)

Diagrama de Bode

3. Antena

Figura.11 - Antena

La realización de este trabajo conlleva la utilización de una antena receptora (figura 11) capaz de captar el rango de frecuencia deseado, es decir, de 1KHz a 20 KHz. Para continuar con la filosofía “Do it yourself”, la antena utilizada será de fabricación casera. Una antena es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir y/o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma energía eléctrica en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. [7] Existe una gran diversidad de tipos de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, otras veces deben canalizar la potencia en una dirección. Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Para entender mejor el funcionamiento del sensor primero hay que realizar una breve explicación sobre los campos magnéticos, haciendo una referencia a la ley de Faraday. [4] Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud, de tal forma que es un campo vectorial. Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento. La ley de inducción de Faraday es una ley básica del electromagnetismo predecir cómo un campo magnético va a interactuar con un circuito eléctrico para producir una fuerza electromotriz (FEM): un fenómeno que se conoce como inducción electromagnética. Es el principio de funcionamiento de transformadores, inductores, y muchos tipos de motores eléctricos, generadores y solenoides.

9

Para obtener una mayor variedad de resultados se ha optado por hacer un par de antenas con dimensiones y estilos diferentes. A continuación se muestra una breve descripción de cada una de ellas (figura 12 y figura 13).

Nombre: Antena 1

Diámetro interior: 96 mm

Diámetro exterior: 136 mm

Nº espiras: 20

Tipo recepción: Bidireccional

Material: Cartón

Figura.12 - Antena 1

Nombre: Antena 2

Diámetro interior: 50 mm

Diámetro exterior: 90 mm

Nº espiras: 4

Tipo recepción: Unidireccional

Material: Cartón forrado con aluminio

Figura.13 - Antena 2

En ambos casos se ha utilizado un aro de cartón como soporte físico y cable azul como conductor para crear un solenoide. Para la antena 1 el cable se enrolla alrededor del aro, mientras que en la antena 2 el cable se enrolla sobre sí mismo encima del aro. Cabe destacar que la antena 2 captará la señal más nítidamente gracias al recubrimiento de aluminio del aro de cartón.

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3.1 Caracterización antena

Para poder modelar mejor el funcionamiento de las antenas y ver cómo afectan las diversas variables a la captación de la señal se llevó a cabo un barrido en varias de estas variables. Se utilizarán ambas antenas, haciendo un barrido de frecuencia a intensidades diferentes y para cada frecuencia se cambiará la distancia de medición. Para la realización de las medidas se hizo uso de una caja de cartón como soporte (figura 14), de esta manera se consigue tener unas distancias constantes, además el hecho que sea de cartón evita interferencias y apantallamientos. Seguidamente se mostrarán y explicarán varias graficas de los datos obtenidos.

Figura.14 - Medición con soporte de cartón

A continuación se muestran los resultados obtenidos del barrido realizado sobre ambas antenas (figuras 15 y 16). Hay que recalcar que para hacer la muestra más visual la amplitud de cada frecuencia es diferente. Si se hubiera hecho un barrido de frecuencia todas con la misma amplitud, prácticamente no se hubieran podido distinguir unas de otras sobre la gráfica.

11

Figura.15 – Barrido realizado con la antena 1. 4KHz--18KHz

Figura.16 – Barrido realizado con la antena 2. 4KHz – 18KHz

Como era de esperar la intensidad de la señal captada baja exponencialmente con la distancia, de modo que a unos 5 cm las antenas no son capaces de captar ninguna señal. Hay que recalcar que para ampliar la distancia efectiva de las antenas habría que modificar la relación R3/R2. Otro dato importante que se puede extraer de las gráficas es el hecho de que la antena forrada de papel plata capta con más fuerza el campo electromagnético.

12

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50

Ten

sió

n (

V)

Distancia (mm)

Antena 1

4 KHz

8 KHz

12 KHz

16 KHz

18 KHz

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50

Ten

sió

n (

V)

Distancia (mm)

Antena 2

4 KHz

8 KHz

12 KHz

16 KHz

18 KHz

Aparte del barrido también se ha realizado un análisis completo, obteniendo dos espectros de frecuencia, uno con cada antena. Superponiendo los datos de ambos espectros en un mismo gráfico se puede observar los armónicos de una señal triangular en el diagrama de la figura 17.

Figura.17 – Espectro de frecuencias de varias antenas. Campo cercano

Se puede apreciar que la antena 2 capta con más intensidad en la mayoría de las frecuencias, aunque prácticamente se podría decir que la antena 1 no difiere demasiado.

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3.2 Direccionalidad antena

En este sub apartado se estudiará cómo afecta la orientación de la antena respecto al campo electromagnético. Para ello se utilizara la antena unidireccional (Antena 2) realizando varias muestras en tres orientaciones distintas. Dichas orientaciones son: Boca abajo. – Ubicando la antena perpendicularmente al campo y con el solenoide orientado hacia la fuente generadora del mismo. Boca arriba. – Ubicando la antena perpendicularmente al campo y con el solenoide orientado en dirección opuesta a la fuente generadora. Transversal. – Ubicando la antena transversalmente al campo. La orientación del solenoide no afecta a la captación en dicha distribución. Se realizó una primera prueba para una frecuencia de 3 KHz (figura 18) y una segunda muestra para una frecuencia de 8 KHz (figura 19).

Figura.18 – Espectro de frecuencias de la antena 2 con tres orientaciones distintas. 3 KHz

y armónico a doble frecuencia.

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Figura.19 – Espectro de frecuencias de la antena 2 con tres orientaciones distintas. 8 KHz

y armónico a doble frecuencia

En ambos casos la orientación optima de la antena 2 es perpendicular al campo con el solenoide orientado hacia la fuente generadora y la peor orientación sería colocando la antena transversalmente al campo. Hay que destacar que la antena 1, independientemente de ser bidireccional reaccionará del mismo modo, es decir, captará mejor el campo orientada de manera perpendicular que transversalmente.

3.3 Captación experimental

Como ejemplo se ha colocado la antena 1 sobre la pantalla del osciloscopio y se ha medido la señal captada. Dicha señal es triangular con una frecuencia de 50 KHz, tal y como se puede observar en la Figura 20. Cabe destacar que es posible captar esta señal sin que el circuito se sature debido a que la amplitud es del orden de medio voltio. En el caso de que dicha señal tuviera una amplitud superior a 3V (figura 1) el circuito se saturaría. Tras analizar detenidamente los resultados obtenidos se ha llegado a la conclusión que la señal procede del refresco de la pantalla del propio osciloscopio.

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Debido a que el estudio se realiza sobre bajas frecuencias no será posible ver esta frecuencia en el espectro, aunque al tratarse de una onda triangular si será posible ver alguno de sus armónicos.

Figura.20 – Señal triangular captada por la antena 1

Una vez se ha comprobado que el circuito funciona acorde a lo deseado la señal ecualizada se envía a una placa Arduino para procesarla. Tras analizar todos los datos obtenidos como conclusión se puede afirmar que la antena 2 capta mejor el campo eléctrico.

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4. Arduino

Esquema.21 – Arduino

En este trabajo se utiliza la placa arduino como una interfaz (figura 21) entre el circuito electrónico y el software de representación de datos (en este caso Matlab) de manera que lee una señal analógica y la transforma en una sucesión de datos digitales. Para ser más concretos se pretende utilizar la placa para realizar la transformada rápida de Fourier sobre la señal captada por el sensor y posteriormente enviarla a través del bus serie al software Matlab. Arduino es una compañía de hardware libre, y comunidad tecnológica, que diseña y manufactura placas de desarrollo de hardware y software compuesta respectivamente por circuitos impresos y un entorno de desarrollo (IDE). [8] El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, usualmente Atmel AVR, puertos digitales y analógicos de entrada/salida,[] los cuales pueden conectarse a placas de expansión que amplían las características de funcionamiento de la placa arduino. Asimismo posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación serial con el computador. Por otro lado, el software consiste en un entorno de desarrollo (IDE) basado en el entorno de Processing y lenguaje de programación basado en Wiring, así como en el cargador de arranque (bootloader) que es ejecutado en la placa.[ ]El microcontrolador de la placa se programa a través de un computador, haciendo uso de comunicación serial mediante un convertidor de niveles RS-232 a TTL serial. Para este trabajo se ha utilizado la placa Arduino Mega 2560, cuya tensión de funcionamiento es de 5V y trabaja con un reloj interno de 16MHz (figura 22). Su lenguaje de programación es C. [9]

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Figura.22 - Placa Arduino Mega 2560

La señal procedente del circuito amplificador será captada a través del pin analógico A0, posteriormente se realizará la FFT mediante la librería que se puede obtener gratuitamente con licencia GPL [10] para finalmente enviar los datos generados

4.1 Código Arduino

Como en cualquier programa lo primero que se debe especificar en su código son las inicializaciones, en este caso se incluirá la librería mencionada anteriormente, se establecerá la velocidad de transmisión por el bus serie y se seleccionará que se quiere utilizar el pin A0. Una vez inicializadas las diversas variables se realiza una lectura del bus serie, si no se recibe el carácter „a‟ el programa procederá a enviar por el bus serie una confirmación de que no se ha recibido ninguna petición, dicha confirmación se realiza transmitiendo un carácter „-„. En el momento reciba un carácter „a‟, el programa entenderá que se le ha hecho una petición de realizar la FFT sobre los datos actuales que le están llegando por el pin A0. Una vez finalizada se enviarán estos datos por el bus serie para el software de representación de datos los reciba. Una vez enviados todos los datos el programa vuelve al bucle espera, leyendo el bus serie hasta que le llegue otra petición. En el momento que el programa termina de realizar la FFT, justo antes de enviar los datos, envía una cadena de asteriscos seguido de un carácter „s‟. Esto se hace así para que Matlab, el programa encargado de gestionar los datos, reconozca que le van a enviar los datos que ha solicitado previamente y los almacene. Para la realización del diagrama de flujo del programa (figura 23) se ha utilizado un soporte software externo [11]. De manera que en el diagrama los recuadros simbolizan los diversos procesos y las flechas los flujos. Un proceso avanza hacia el siguiente siguiendo la dirección de las flechas.

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Figura.23 - Diagrama de flujo del código

Código: #define LOG_OUT 1 // Habilita la función de salida log #define FFT_N 256 // Establece a 256 puntos la fft #include <FFT.h> // Incluye la librería char go = 0; unsigned long startmicros = 0; unsigned long endmicros = 0; unsigned long periodo = 0; void setup() { Serial.begin(115200); // Usa el puerto serie ADCSRA = 0xe5; // Establece el adc a modo de funcionamiento libre ADMUX = 0x40; // Usa el adc0 DIDR0 = 0x01; // Apaga la entrada digital para adc0 }

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void loop() { while (1) { // Reduce el jitter go = Serial.read(); if (go == 'a') { startmicros = micros(); for (int i = 0 ; i < 512 ; i += 2) { // Guarda 256 muestras while (!(ADCSRA & 0x10)); // Espera a que adc esté preparado ADCSRA = 0xf5; // Restart de adc byte m = ADCL; // Fetch de adc byte j = ADCH; int k = (j << 8) | m; // Transformar a int k -= 0x0200; // Transformar int a signed int k <<= 6; // Transformar a 16b signed int fft_input[i] = k; // Poner los datos reales en bins pares fft_input[i + 1] = 0; // Establecer los bins impares a 0 } endmicros = micros(); periodo = endmicros - startmicros; fft_window(); fft_reorder(); fft_run(); fft_mag_log(); Serial.println("******************************************************"); Serial.println("s"); Serial.println(periodo); for (byte i = 0 ; i < FFT_N / 2 ; i++) { Serial.println(fft_log_out[i]); // Enviar datos } } else { Serial.println('-'); delay(100); } } }

El primer bucle for se encarga de realizar la digitalización de la señal recibida a través del pin A0, realizando varias transformaciones de tipo para finalmente almacenar los datos en una tabla. Posteriormente se hace uso de varios métodos de la librería FFT para reordenar y organizar los datos antes de transmitirlos por el bus serie. Hay que añadir que la frecuencia de muestreo de esta librería es fija y no se puede variar. Si se quisiese variar no habría más remedio que implementar una nueva librería reutilizando algunos métodos.

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4.2 Ejemplo

Se continuará con el ejemplo antes propuesto en el apartado de circuito electrónico. Para ello se conectara directamente el sensor a una fuente generadora de ondas y se realizará su FFT. Para visualizar el espectro de frecuencias se utilizará una herramienta que incorpora el propio software de arduino, el serial plotter (figura 24).

Figura.24 - Espectro de frecuencia. 8KHz

Como se puede ver, con la herramienta de visualización directa aunque se obtenga el espectro de frecuencias no se puede determinar la frecuencia ni la amplitud de las señales captadas. La unidad que aparece en el eje de las Y es por defecto el número de bits que se utiliza, de modo que el valor máximo que se podría obtener es de 256 ya que se está trabajando con este número de muestras. Este es el motivo de porqué se envía los datos a un software de representación externo. A pesar de que no se pueda apreciar si la señal captada corresponde a los 8 KHz lo que se ha hecho ha sido realizar dos pruebas más, una a 4 KHz y otra a 16 KHz. De esta manera como mínimo se podrá comprobar visualmente que el espectro es coherente. La gráfica de la figura 25 corresponde con el ejemplo de la frecuencia de 4 KHz, y la gráfica de la figura 26 con el ejemplo de 16 KHz.

21

Figura.25 - Espectro de frecuencia. 4KHz

Figura.26 - Espectro de frecuencia. 16KHz

Se puede observar que efectivamente la señal de 4KHz corresponde a la mitad de distancia que la de 8 KHz y la señal de 16 KHz corresponde al doble.

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5. Representación de datos

Esquema.27 - Representación de datos

Para este trabajo se ha decidido que el software (figura 27) a utilizar para comunicarse con arduino y representar los datos sea MATLAB. Se tomó esta decisión debido a que es un software bastante utilizado durante el grado y que cumplía con las necesidades de trabajar con el bus serie y tener facilidad manejando y representando datos de forma elegante.

MATLAB (abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices") es una herramienta de software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). [12] Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, a saber, Simulink (plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario - GUI). Además, se pueden ampliar las capacidades de MATLAB con las cajas de herramientas (toolboxes); y las de Simulink con los paquetes de bloques (blocksets). Para la realización de este trabajo no ha sido necesaria la utilización de ninguna de sus herramientas adicionales, tan solo las funciones básicas y las funciones relacionadas con la comunicación a través del puerto serie. Se pretende utilizar la sencillez y la potencia que tiene Matlab al trabajar con datos numéricos.

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5.1 Código Matlab

Al igual que con el código de arduino, lo primero que se realiza es la inicialización de las variables. En este caso no se incluye ninguna librería ya que no se hace uso de ninguna. Una vez establecida la conexión con el arduino a través del bus serie, Matlab solicita los datos de la FFT enviando un carácter „a‟. Seguidamente lo próximo que hará el programa será leer el bus serie, si recibe el carácter „-„ desde el arduino significa que este último no ha recibido bien la petición y Matlab volverá a enviar un carácter „a‟ hasta que se le envíen los datos. Cuando al leer del bus serie se encuentra con un carácter „s‟ en la posición 1 el programa procede a leer y ordenar el resto de datos recibidos, posteriormente procesarlos y por ultimo mostrar por pantalla una gráfica correspondiente al espectro de frecuencia de la señal captada por el sensor. El diagrama de flujo del programa se muestra en la figura 28.

Figura.28 - Diagrama de flujo del código

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Parte del código proviene de Mathworks [13]

Código:

clc; clear all; %Se limpia y cierra todo close all;

delete(instrfind({'Port'},{'COM3'})); %Se borra la comunicación con el puerto 3 arduino = serial('COM3'); %Se crea una comunicación con el puerto 3 fclose(arduino); arduino.BaudRate = 115200; %Se establece la velocidad de comunicación fopen(arduino); %Empieza la comunicación xfrec = 0; read = 1; i=1; fprintf(arduino, '%c\n','a'); while read == 1 lectura=fscanf(arduino); %Se leen los datos recibidos del arduino if (lectura(1)=='s') data = fscanf(arduino, '%i') periodo = data(1)*1e-6; while i <= 128 data = fscanf(arduino, '%i'); %Se gestionan los datos valor(i) = data(1)*5/256; xfrec(i) = i/(1/19000 * 128); i= i+1; end

plot(xfrec, valor) title('Espectro de frecuencias') xlim([0 20000]) ylim([0 5]) xlabel('Frecuencia (Hz)') ylabel('Voltaje (V)') read = 0; else fprintf(arduino, '%c\n','a'); %Mientras no se reciban datos (una ‘s’) del arduino end %se irán enviando ‘a’ para coordinar la comunicación end fclose(arduino); delete(arduino); %Se termina la comunicación

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5.2 Ejemplo

Para seguir con el ejemplo realizado anteriormente, se conecta directamente una señal sinusoidal de 8kHz de frecuencia y 1 V de amplitud al sensor y se ejecuta el script de Matlab, como resultado se obtiene la figura 29.

Figura.29 - Espectro de frecuencia

Como se puede observar justo en 8 KHz se aprecia el espectro de la señal que se ha introducido con una tensión igual a 2,5 voltios, correspondientes al voltio de amplitud más 1,5 V de offset. Además se puede apreciar la similitud con el espectro de frecuencias que se obtuvo del serial plotter de arduino para el mismo ejemplo (figura 24).

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Posteriormente se ha utilizado la antena 1 para captar esta misma señal, obteniendo el resultado de la figura 30.

Figura.30 - Espectro de frecuencia

Se puede apreciar que la señal del generador de ondas es captada de igual manera que antes pero considerablemente atenuada. Además existen otras señales que presumiblemente es un armónico de la señal de 50 KHz emitida por la pantalla del osciloscopio (14 KHz) y otro armónico de la propia señal (16Khz, el doble que la señal captada).

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Para comprobar que estas señales captadas son realmente de la pantalla del osciloscopio, se ha ejecutado el script de Matlab colocando la antena justo encima del aparato desconectando el generador de ondas, como se puede apreciar en la figura 20. Como resultado se ha obtenido la figura 31. Para verificar que esta señal realmente procede de la señal triangular de 50 KHz de la pantalla del osciloscopio se ha realizado una prueba creando la misma señal a través del generador de ondas (figura 32). Como se puede apreciar en ambos espectros se localiza el armónico en12 KHz ± ω.

Figura.31 - Espectro de frecuencia

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Figura.32. - Espectro de frecuencia

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6. Conclusiones

De este trabajo se puede extraer que finalmente si es posible crear un sensor de campo eléctrico de bajas frecuencias que funcione razonablemente a un precio asequible. El rendimiento del sensor como conjunto ha sido satisfactorio, poder realizar múltiples pruebas y modificaciones y comprobar que realmente se ha llegado a la meta propuesta al inicio del trabajo es un gran aliento para poder seguir mejorando y optimizando este sensor. No obstante, aunque funcione razonablemente bien en entornos controlados no se ha probado abiertamente, ello conlleva que se puedan realizar múltiples mejoras, tanto en calidad como en coste. Como reflexión personal encuentro que la realización de este trabajo ha sido una oportunidad tanto para aprender conceptos nuevos como para aprender herramientas para mí desconocidas hasta el momento (Arduino). Con todo quedo satisfecho de haber realizado un trabajo afín a mis preferencias.

6.1 Futuras ampliaciones

Una posible modificación u optimización que se podría llevar a cabo seria incorporar un par de pilas de 5V ya que el consumo de los operacionales es de 0,4 mA. De esta manera se polarizarían correctamente los amplificadores operacionales sin necesidad de estar conectados directamente a una fuente de alimentación. Otro cambio muy aconsejable sería remplazar las resistencias R1 y R3 por unas resistencias programables, de manera que a través de un software se pudiera modificar el valor óhmico de estas. Con este cambio se gana flexibilidad con la ganancia de los amplificadores operacionales, lo que conlleva tener una sensibilidad mucho más ajustable dependiendo del tipo de antena y del tipo de frecuencia que se quiera captar. En cuanto a software una futura modificación sería remplazar la librería FFT que se facilita para Arduino, ya que es bastante compleja y el código que se puede crear con ella es poco flexible. Realizando este cambio sería posible cambiar la frecuencia de muestreo y por lo tanto realizar un cambio en el rango de frecuencias más fácilmente que en la actualidad.

30

Otro aspecto muy recomendado sería realizar una calibración, comparando las mediciones obtenidas con el sensor propuesto con las obtenidas por un analizador de espectro profesional. Un analizador válido sería por ejemplo el Spectran NF – 5035 (figura 33).

Figura.33 - Spectran NF – 5035

El Spectran NF – 5035 es un analizador de espectro profesional de CEM de Aaronia. Es de alta precisión y de gama completa de acuerdo con la ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection). Especificaciones [14]: Rango de frecuencia: 1Hz hasta 1MHz Campo magnético (Tesla): 1pT hasta 2mT Campo magnético (Gauss): 10µG hasta 20G Campo eléctrico: 0,1V/m hasta 20kV/m Entrada analógica: 200nV hasta 200mV Resolución: 0,3Hz hasta 1MHz Precisión: 3% Realizando diversas mediciones y ajustes se podría calibrar el sensor creado en este trabajo de manera que diera valores más precisos.

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8. Bibliografía [1] http://www.radiansa.com/contaminacion-electromagnetica/ 22 septiembre 2016 [2] Real Decreto 1066/2001 publicado en el BOE núm. 234 22 septiembre 2016 [3] https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-A-2016-7303 29 septiembre 2016 [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Faraday%27s_law_of_induction 29 septiembre 2016 [5] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ua741.pdf 10 mayo 2016 [6] https://www.circuitlab.com/ 20 septiembre [7] https://es.wikipedia.org/wiki/Antena 24 septiembre [8] https://es.wikipedia.org/wiki/Arduino 22 septiembre [9] www.arduino.cc 17 abril 2016 [10] http://wiki.openmusiclabs.com/wiki/ArduinoFFT 18 abril 2016 [11] www.lucidchart.com 20 septiembre 2016 [12] https://es.wikipedia.org/wiki/MATLAB 22 septiembre 2016 [13] www.mathworks.com 5 junio 2016 [14] http://www.aaronia.es/productos/analizadores-de-espectro/NF-5030/ 3 octubre 2016

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