Ing Glucometro.docx

3. Marco Práctico 3.1. Introducción En esta parte del documento se encuentran los cálculos realizados con las formulas previamente descritas en el marco teórico, así como la simulación, medición y pruebas de cada etapa y finalmente la tabla de costos del proyecto. Los cálculos se desarrollaran en base a los diagramas de bloques del glucómetro. Sensor Puente H

Generación de

Infrarrojo

Pulsos

Filtro

Amplificador

Convertidor I/V Arduino

LCD

Figura 3.1: Diagrama de Bloques del Glucómetro Fuente: Elaboración Propia (Word)

3.2. Etapa de Generación de Pulsos y Puente H 3.2.1. Cálculos Para realizar el programa que genere el pulso se necesita saber el tiempo que se pondrá de duración a la onda cuadrada, la característica de la onda es su frecuencia que debe ser mayor a la pulsación arterial de un adulto (80 ppm), así que se elige una frecuencia de 1kHz.

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a) Cálculo del Delay para el programa Se calcula el valor del tiempo que durara la onda cuadrada. De la ecuación 2.1: 𝐷𝑒𝑙𝑎𝑦 =

1 = 1𝑚𝑠 1𝑘𝐻𝑧

El valor de la onda cuadrada total es de 1ms, así que cuando se encuentre en 0 durara 500 µs y cuando este en 1 durara también 500 µs. b) Calculo de la corriente de base Se calcula el valor de la corriente de base que circulara por los transistores. De la ecuación 2.2: 𝐼𝑏 =

100 𝑚𝐴 = 3.3 𝑚𝐴 30

c) Calculo de la resistencia de base Se calcula el valor de la resistencia de base. De la ecuación 2.3: 𝑅𝑏 =

5 = 1515 Ω ≈ 1.5 𝑘Ω 3.3𝑚𝐴

3.2.2. Selección de Componentes El transistor se elige en base a la corriente máxima de los leds que controlara, el led rojo tiene 15 mA de corriente y el led infrarrojo tiene un máximo de 50 mA así que el transistor debe superar estos valores de corriente en su corriente de colector. Se seleccionó el transistor 2N3904 ya que cumple el requerimiento de corriente.

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Figura 3.2: Corriente Máxima del 2N3904 Fuente: 2N3904 Datasheet

Para el PIC12F675 en los pines 2 y 3 de oscilación se elige un cristal de 4MHz ya que también es el valor elegido para su programación y 2 capacitores de 22 pF que son valores nominales para todos los PICs en general. En el pin 4 MCLR durante el funcionamiento normal, necesita ser elevado típicamente a través de una resistencia a Vdd que se eligió de 10 kΩ. También se conecta un condensador de 100µF desde el pin MCLR a tierra para mantener el dispositivo en el modo de reinicio por más tiempo cuando se tira bajo por una señal corta. 3.2.3. Simulación El puente H se encuentra controlado por el microcontrolador PIC12F675 para la conmutación de los leds.

Figura 3.3: Etapa de Generación de pulsos y puente H Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

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La señal que tiene cada uno de los led es la siguiente:

Figura 3.4: Señal del led rojo e infrarrojo Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

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3.2.4. Flujograma

Figura 3.5: Programa del Puente H Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

Para lograr la conmutación de leds se usa la siguiente porción de código: GPIO.B2=x; GPIO.B0=x; delay_us(500);

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Usando el registro GPIO al estar conectados los pines 5(GP2) y 7(GP0) se usa la extensión B0 y B2 y se les da valores de 1 y 0 para permitir la conmutación respectivamente. 3.2.5. Pruebas Se realizó una prueba de la señal que tienen los leds rojo e infrarrojo para comprobar que están conmutando al tiempo programado en el microcontrolador.

Figura 3.6: Señal del led rojo e infrarrojo Fuente: Elaboración Propia

3.3. Sensores Infrarrojos 3.3.1. Selección de Componentes Se debe elegir un led emisor y receptor que posean un rango de longitudes de onda comprendidas desde 500nm hasta 1000nm como mínimo, lo óptimo sería un led que tenga una longitud de onda mayor a 1000nm, pero por las limitaciones en conseguir los leds infrarrojos a nivel nacional se seleccionó un led de 940nm ya que es el mayor disponible.

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Figura 3.7: Led Infrarrojo escogido Fuente: Pinterest – Pagina Web

3.4. Convertidor I/V Se debe convertir la corriente de salida del Fotoreceptor en un voltaje de salida que variara según la incidencia de la luz. a) Calculo de la capacitancia Cf El valor del capacitor Cf es igual al valor del capacitor del fotodiodo Cp De la Ecuación 2.4: 𝐶𝑓 = 10 𝑝𝐹

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Figura 3.8: Capacitancia del Fotodiodo Fuente: Datasheet Fotodiodo PD204-6C/L3

b) Calculo de la resistencia de realimentación Se tiene un voltaje de 5v de alimentación y ya que el fotodiodo es un diodo tiene una caída de tensión de 0.7v. De la ecuación 2.5: 𝑉𝑜 = 5 − 0.7 𝑉 (𝐹𝑜𝑡𝑜𝑑𝑖𝑑𝑜𝑑𝑜) = 4.3 𝑉 La corriente de salida del fotodiodo genérico en la simulación da un resultado de 0.47 µA por lo que se usara ese valor para poder hallar la resistencia de realimentación. De la ecuación 2.6: 𝑅𝑓 =

4.3𝑣 = 9.15 𝑀Ω ≈ 10𝑀Ω 0.47 µ𝐴

Para evitar que la salida caiga en 0 V, se coloca una resistencia en la entrada no inversora del amplificador ya que la salida dependerá de esa resistencia se eligió

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un potenciómetro de 10kΩ a fin de poder regular la salida de voltaje de 0 al valor máximo que puede dar este amplificador. Para que la salida pueda variar es necesario también que el fototransistor tenga una resistencia de carga a tierra, que por la altas características de impedancia del TL084 el orden de la resistencia debe también estar en los Mega Ohm entonces se eligió una resistencia de 4.7 MΩ. 3.4.1 Selección de Componentes El amplificador operacional que se escogió para esta y la siguiente etapa es el integrado TL084 ya que es de suma importancia que sean de la familia FET, debido a que la resistencia de la zona de agotamiento de los fotodiodos encontrados en sensores de pulsioximetría se encuentra en el orden de 1000MΩ, por tal motivo la impedancia del amplificador debe ser muy grande.

Figura 3.9: Tipo de entrada del amplificador operacional Fuente: Datasheet TL084

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3.4.2. Simulación Para las siguientes etapas se necesita un voltaje de salida para trabajar, después de simular el amplificador de transimpedancia tenemos a su salida un voltaje regulable de 0 hasta 5.60 V cuando la señal de luz es absorbida simulado quitando la luz en la simulación, el valor de voltaje de salida en la práctica dependerá de la absorción del material, también se puede apreciar que da un voltaje máximo de 7.48 V a la salida al estar el fotodiodo completamente iluminado.

Figura 3.10 y 3.11: Etapa de Conversión I/V variando la intensidad de luz Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

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3.4.3. Medidas Parámetro

Valor Simulado

Valor Medido

Voutmax Máxima

7.95V

6V

5.60V

5.45V

0V

0.09V

Intensidad de luz Voutmax Mínima Intensidad de luz Voutmin

Tabla 3.1: Valores Medidos en la etapa de conversión I/V. Fuente: Elaboración Propia

3.5. Sumador no Inversor a) Calculo del voltaje de salida Al aplicar las consideraciones de un amplificador no inversor donde Ii= 0, entonces por la ley de corrientes de Kirchhoff se obtiene que I1=I2 y I3=I4, reemplazando e igualando las ecuaciones el voltaje de salida y al ser el valor de resistencia en el circuito paralelo entre R1 y R2 es 10 veces el resultado del paralelo entre R3 Y R4, entonces se simplifica la ecuación para obtener el voltaje de salida. Para R2 y R1 se eligen valores de 1M y 1k respectivamente para reducir el nivel DC que se suma a la entrada. 𝑉𝑜 =

10𝑘 4,3𝑉𝑝𝑝 0,5𝑉𝑑𝑐 ( + ) = 4,3𝑉𝑝𝑘(𝑤𝑡) + 0,5𝑚𝑉𝑑𝑐 10 1𝑘Ω 1𝑀Ω

Expresión que indica que la señal fotopletismográfica mantiene su amplitud y frecuencia pero existe un ligero desplazamiento en amplitud, donde V1 es el voltaje de la fuente DC. 3.5.1 Simulación Existe un desplazamiento de 0,5 V de la salida anterior.

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Figura 3.12: Sumador no Inversor Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

3.6 Filtros a) Calculo del filtro pasa bajos La implementación de una etapa de filtrado, es necesario para evitar los siguientes casos: señales de alta frecuencia que son generadas por la capacitancia del fotodiodo, ruido e interferencias electromagnéticas un filtro pasivo RC pasa bajos para eliminar frecuencias mayores a 159Hz. De la ecuación 2.7: 𝐹𝑐 =

1 = 159 𝐻𝑧 2𝜋 ∗ 1𝑘Ω ∗ 1µ𝐹

3.6.1. Simulación Una vez aplicado el filtro el glucómetro trabajara a un rango más pequeño esto para que pueda tener valores más exactos y se pueda trabajar en el 100 % de rango de voltaje que encontramos a la salida.

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Figura 3.13: Filtro Pasa Bajos Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

3.7. Recopilación y visualización de datos con Arduino 3.7.1. Relación Voltaje-Glucosa Rangos

Relación Voltaje - Glucosa

Ecuación

5V

0

-55.56 * V +

3.02 V

110

277.78

Tabla 3.2: Relación Voltaje - Glucosa Fuente: Elaboración Propia

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Voltaje * Glucosa 120

100

GLucosa

80

60

40

20

0 0

1

2

3

4

Voltaje

Figura 3.14: Relación Voltaje-Glucemia Fuente: Elaboración Propia

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6

15

3.7.2. Flujograma

Figura 3.15: Flujograma del Programa Principal Fuente: Elaboración Propia

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Figura 3.16: Flujograma del Programa Principal Fuente: Elaboración Propia

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3.8. Diseño de Placas 3.8.1. Placa para puente H (5V)

Figura 3.17: Placa Puente H Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

3.8.2. Placa para amplificador TL084 (9V y -9V)

Figura 3.18: Placa del amplificador TL084 Fuente: Elaboración Propia (Proteus)

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3.9. Prueba del prototipo del glucómetro Una vez armado el prototipo se procedió a probar la medición que este realiza, primero se probó sin meter el dedo al sensor en donde como se ve en la figura da un valor de 0 mg/dl de glucosa.

Figura 3.19: Prueba del prototipo sin colocar el dedo en el sensor Fuente: Elaboración Propia

Luego se probó con el dedo en el sensor y el prototipo marca un valor de 132 mg/dl de glucosa

Figura 3.20: Prueba del prototipo colocando el dedo en el sensor Fuente: Elaboración Propia

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CAPITULO IV

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4. Conclusiones y Recomendaciones 4.1. Conclusiones - Se construyó un prototipo de un glucómetro no invasivo para el control de la glucosa en personas con diabetes mellitus. - Con el uso de leds rojo e infrarrojo emisor y receptor se consiguió el captado de glucosa. - Se diseñaron las etapas necesarias para medir los niveles de glucosa en la sangre. - Se transformó la corriente que sale del fotodiodo a un voltaje para ser procesado por ARDUINO. - Se desarrolló una programación tanto para el control del puente H como para la lectura de datos en la placa ARDUINO. 4.2. Recomendaciones - Se recomienda para mejorar la absorción de glucosa el uso de un led infrarrojo de longitud de onda mayor a 1000nm. - También es recomendable el uso de un sensor comercial de oximetría para obtener resultados más fiables. - Se recomienda que al tomar la muestra con el sensor se espere un aproximado de 20 segundos para que se pueda procesar correctamente las muestras.

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CAPITULO V

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5. Bibliografía 5.1. Libros y Documentos - Daneri Pablo. (2007). Electro medicina Equipos de Diagnóstico y Cuidados Intensivos. Buenos Aires, Argentina: Hasa. - Quispe Sofía. (2013).Diseño e implementación de un sistema electrónico de monitorización de señales fotopletismograficas de aplicación médica. Bolivia: Universidad Mayor de San Andrés. - Rodríguez Inmaculada. (2016). Mejora del diseño de un prototipo de sensor no invasivo para la medida de glucosa en sangre. Sevilla: Universidad de Sevilla. 5.2. Páginas Web - Colaboradores de Wikipedia. (2018). Resistencia Eléctrica. Wikipedia, La Enciclopedia

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CAPITULO VI

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6. Anexos 6.1. Programa Puente H void init_ports(void) { TRISIO = 0;

// se ponen los pines como salida

} void main() { ANSEL = 0; //Todos los pines de E/S se configuran como digitales init_ports() // Se inicializan los puertos while(1) { GPIO.B2=1; // se pone el led Rojo en estado 1 GPIO.B0=0; // se pone el led infrarrojo en estado 0 delay_us(500); // duracion de 500 us GPIO.B2=0; // se pone el led Rojo en estado 0 GPIO.B0=1; // se pone el led infrarrojo en estado 1 delay_us(500); // duración de 500 us } } 6.2. Programa Principal #include // se incluye la librería del LCD LiquidCrystal lcd (7, 8, 9, 10, 11, 12); // Se define los pines del LCD const int sensorPin =A0; // Se define el pin por donde entrara la salida del circuito #define NUMSAMPLES 200 // Se define un numero de muestras int samples[NUMSAMPLES]; // Se declara la variable samples void setup(){

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Serial.begin(9600); pinMode(sensorPin,INPUT); //se pone el pin A0 como entrada lcd.begin(16,2); //se da comienzo al LCD lcd.print("Glucosa:");// Impresión LCD lcd.setCursor(0,1);// Lugar de la impresión LCD lcd.print("mg/dl");// Impresión LCD } void loop(){ uint8_t i;// se declara una variable auxiliar float average;//se declara la variable promedio for (i=0; i
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int Glucemia = -55.56*(voltage) + 277.78;// se halla la glucemia con su ecuación lcd.setCursor(9,0);// se imprime en la posición 9 del LCD lcd.print("

");// se borra el valor al entrar un nuevo promedio

lcd.setCursor(9,0);// se imprime en la posición 9 del LCD lcd.print(Glucemia); // se imprime el valor de glucosa delay(10000);// tiempo hasta que entre otro valor 6.3 Datasheets