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SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 1
Sistema Electrónico para Medición de
calidad de Sustancias: Diseño e
Implementación
David Palacio, Estudiante, Universidad de los Andes Fredy Segura, Asesor, Universidad
de los Andes, Sebastián Sierra, Coasesor, Universidad de los Andes
and Juan Cárdenas, Coasesor, Universidad de los Andes ¡-this
Abstract—Se presenta el desarrollo e implementación de una lengua electrónica portable, capaz de medir la
calidad de una sustancia mediante un sensor capacitivo, partiendo del cambio nominal presentado en la
capacitancia del sensor una vez que se encuentra en contacto con la muestra. Pará esto, se realizó la
construcción de un sistema embebido mediante el uso de un microcontrador de 32-bits de baja potencia y un
sistema de alimentación y comunicación basado en el estándar “Near Feal Communication” (NFC); el cual a
través de conceptos de Energy Harvesting (EH) funciona de forma autónoma y eficiente detectando el
esquema de carga y descarga del sensor capacitivo.
Index Terms—Sensor capacitivo, micorocontrolador, NFC, Energy Harvesting.
✦
1 INTRODUCTION
El monitoreo de sustancias que ponen en
riesgo la salud o integridad del ser humano se
ha vuelto más común con el paso del tiempo,
para esto, hoy en dı́a hay gran cantidad de en-
tidades, como laboratorios, trabajan analizando
el impacto de quı́micos y sustancias en las per-
sonas. Aun ası́, existen circunstancias en donde
se necesita tener medidas in situ que indiquen la
presencia de algún componente nocivo para el ser
humano pero que no necesariamente caractericen
la composición de la sustancia. Un caso puntual
es el caso de las bebidas alcohólicas; que hacen
parte de los productos de mayor consumo en
el mundo con un 35% del total de la población
según reporta el Ministerio de Salud de Colom-
bia [1] y que adicionalmente a esto se tiene
que a nivel paı́s, una de cada cinco botellas de
licor viene adulterada según Euromonitor Inter-
nacional [2]. Ahora bien, partiendo de la premisa
de que dichas sustancias adulteradas no realizan
los controles sanitarios debido a su estado de
ilegalidad, la única forma de obtener una identi-
ficación de las mismas es por parte del usuario
final; el cual necesita información instantánea
que descarte la presencia de agentes letales y
apruebe el consumo del mismo. Otro caso com-
petente es la contaminación con partı́culas que
van desde pesticidas hasta mercurio que se en-
cuentran en agua consumida entre 11,8 y 19
millones de personas según ORARBO [3]. Dado
el alto grado de necesidad de esta sustancia y la
diversidad de componentes nocivos que puede
contener dependiendo del tratamiento que se le
haga o las condiciones en que se encuentre, se
hace necesario un dispositivo que permita hacer
reconocimiento de agua potable sin necesidad de
hacer un análisis de laboratorio de la misma. De
este modo, este proyecto se centra en el diseño y
desarrollo electrónico de un sistema de medición
de calidad de sustancias contaminadas haciendo
uso de un microcontrolador de bajo consumo y
sensor NFC. Se plantea el aprovechamiento de
la energı́a transferida por un dispositivo NFC
que permita la alimentación del sistema y la
extracción de los datos de este empleando el
concepto de Energy Harvesting. En términos de
medición y caracterización de sustancias se em-
pleará el concepto de huellas digitales asociando
la capacitancia de un sensor interdigitado al en-
trar en contacto con el lı́quido en análisis. Con
esto, se pueden tener diferentes mediciones o
huellas que permitan determinar la calidad de
una sustancia siempre y cuando corresponda a
su huella medida originalmente.
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes Externos
El desarrollo de este trabajo se soportar en
3 referentes externos que comprenden princi-
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 2
palmente el manejo de sensores NFC para la
medición de variables fı́sicas o quı́micas. El
primero se refiere a un estudio publicado en
2021 sobre la medición de calidad del metanol y
su directa relación con la eliminación del SARS-
CoV-2 [5]. El segundo es un estudio hecho con
un sensor de medición de color que alimentados
por NFC permite hacer la lectura de las tiras
de medición de pH [6]. y finalmente se tiene
un referente que utiliza el mismo sistema del
anterior pero para medir la calidad de las frutas
[7]. Estos antecedentes aportan de manera directa
en este proyecto con el manejo de sensores capac-
itivos interdigitados y con la comunicación por
protocolo NFC respectivamente.
3 ANTECEDENTES INTERNOS
Este proyecto tiene varias publicaciones que
aportan de manera directa a su desarrollo, espe-
cialmente con lo relacionado con el sistema de
sensado. como primera etapa se tiene el repos-
itorio Desarrollo de un Sensor Interdigitado Difer-
encial Para la Identificación de Metanol en Bebidas
Alcohólicas Adulteradas publicado en 2014 [8] y
el repositorio Detección de Metanol en Bebidas Al-
cohólicas Adulteradas: Actualización de Firmware y
Reconstrucción de Protocolo de Pruebas publicado en
2019 [9] y Diseño de Prototipo para Identificación
de Calidad de Bebidas Alcohólicas, utilizando
Bluetooth y Sensores Capacitivos publicado en
el año en curso [10]. Dichas etapas son comple-
mentarias y no mutuamente excluyentes. Basa-
dos en un prototipo diseñado previamente, la
primera primera etapa se centró en el desarrollo
de los sensores mientras que la segunda y la
tercera se centraron en las pruebas de los mis-
mos. Aprovechando estas etapas previas se de-
sea realizar el prototipo final que emplee dichos
diseños y caracterizaciones.
3.1 Caracterización del proyecto
El proyecto se centra en el diseño y desar-
rollo electrónico de un sistema de detección de
sustancias contaminadas haciendo uso de un mi-
crocontrolador de bajo consumo y sensor NFC
de la empresa ST. Se plantea el aprovechamiento
de la energı́a transferida por un dispositivo NFC
que permita la alimentación del sistema y la
extracción de los datos del mismo empleando
el concepto de Energy Harvesting. En terminos
de medición y caracterización de sustancias se
empleará el concepto de huellas digitales ligando
la capacitancia de un sensor cerámico al entrar
en contacto con el liquido en análisis. Para cues-
tiones de programación se usará el aplicativo
oficial de la empresa STM32CubeIDE [14] junto
con EasyEDA [15] para el diseño final de los
circuitos.
3.2 Conceptos previos
A continuación se presenta una definición
puntual de la terminologı́a empleada en el docu-
mento.
3.2.1 Near-Field Communication
Del articulo de Neeraj Kumar Singh se de-
fine como una tecnologı́a de comunicación
inalámbrica bidireccional de corto rango que
opera bajo una frecuencia de 13.56Mhz con tazas
de transferencia de hasta 53 kilobyte por se-
gundo. El protocolo se fundamenta en la inter-
acción de un agente activo y uno pasivo que
representan el dispositivo que energiza el sistema
y el que usualmente contiene la información re-
spectivamente [16].
3.2.2 Energy Harvesting
En la hoja de datos del modulo NFC em-
pleado en este proyecto, se define la cosecha de
energı́a como un voltaje no regulado de salida
del modulo; el cual se aprovecha la energı́a del
elemento activo de la comunicación para ali-
mentación de componentes externos al protocolo
[17]. Para entender de forma mas clara este con-
cepto se requiere hacer énfasis en la definición
de las antenas; dispositivo diseñado para emitir
o recibir ondas electromagnéticas a través de
un medio [11]. Adicional a esto, es importante
mencionar que para la transferencia de dichas
ondas electromagnéticas, se hace uso de la tercera
y cuarta ley de Maxwell en las cuales se afirma que
las variaciones de flujo magnético en un circuito
cerrado produce una corriente inducida y que los
campos magnéticos son producto de corrientes
eléctricas [12]. En ese orden de ideas, el celular
induceuna corriente a la antena NFC interna,
dicha corriente genera un campo magnético que
induce un campo magnetico en la antena re-
ceptora que finalmente produce una corriente a
partir de dicho campo.
3.2.3 Protocolo de Comunicación I2C
Es un protocolo sı́ncrono bidireccional basado
en una relación maestro/esclavo, en la cual el
primer agente es un único dispositivo que tiene
como función regular el envı́o y la recepción
de información con los diferentes dispositivos
esclavos utilizando un mismo puerto. [18]
3.2.4 Conversor ADC
Es un esquema electrónico que permite
obtener una lectura digital a partir de una en-
trada análoga. Los microcontroladores emplea-
dos en este proyecto involucran el principio SAR
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 3
(Successive Approximation Register) en el cual
se tienen tantos pasos como valor de resolución
del conversor. En términos generales el conversor
toma la señal, la divide tantas veces como nu-
mero de bits que se requieran y en cada división
determina si es un uno o cero haciendo uso de
una maquina de estados y capacitores con valores
definidos [19].
3.2.5 Sistema embebido
Se acredita dicho término a los sistemas
electrónicos que involucran hardware program-
able mediante el uso de microcontroladores o
microprocesadores destinados a la resolución de
tareas especificas [20]. Una explicación clara de
dicho concepto es el teléfono móvil, a pesar de
que este no representa un sistema embebido, si
está compuesto por variedad de sistemas embe-
bidos, como lo son los módulos de comunica-
ciones, los módulos de carga, el sistema de posi-
cionamiento, entre otros. Cada uno de estos pre-
senta un componente programable que ordena el
comportamiento de los periféricos para que se
desarrolle una tarea especı́fica, como conectarse
a una antena o satélite, programar un ciclo de
carga de baterı́a, detectar la posición del teléfono,
tomar una fotografı́a, (Adaptado del libro Embed-
ded System Security [13]).
4 OBJETIVOS
4.1 Gernerales
• Desarrollar un sistema embebido capaz
de detectar contaminación o modificación
en sustancias mediante el uso de sensores
dieléctricos.
• Aprovechar el uso de la energı́a producida
por el sistema de comunicación NFC para
energizar todo el prototipo.
4.2 Especificos
1) Comprobar y caracterizar el sistema
electrónico de medición de capacitancias
del orden de los pico-faradios para que
se pueda calibrar y aplicar en diferentes
tarjetas.
2) Diseñar el circuito completo del sistema
que comprenda desde la alimentación
pasando por toda la cadena de medición
y finalmente llegando a la comunicación
para lectura de datos.
3) Diseñar y desarrollar pruebas que de-
muestren el completo funcionamiento del
sistema en diferentes condiciones.
5 METODOLOGÍA
5.1 Algoritmo de medición y calibración
Como se mencionó en la descripción del
proyecto, el sensado y caracterización de las
sustancias se realizará mediante el uso de sen-
sores capacitivos, los cuales al entrar en contacto
con diferentes sustancias dan como respuesta un
cambio de capacitancia. Dichos sensores varı́an
sus medidas en el orden de los 5 a los 300 pico-
faradios, es por esto que, el método de medición
tiene que ir de acuerdo con la escala. Dadas las
magnitudes que se están manejando se emplea
un divisor de capacitancias que contempla el
capacitor que se está midiendo y el efecto de
capacitancia interna que generan los microcon-
troladores, el cual varı́a de tarjeta en tarjeta e
incluso de pin en pin. en la Figura 1 se aprecia
el modelo empleado.
Fig. 1. División de Capacitancias
Con dicho esquemático el procedimiento a
seguir para hacer la medición de la capacitancia
externa es alimentar el circuito mediante la acti-
vación de un pin digital, que en el esquemático
equivaldrı́a a cerrar el circuito mediante el pul-
sador de pin de carga, posteriormente se hace
la lectura de voltaje en la otra conexión de la
capacitancia y finalmente se descarga el capacitor
colocando el pin de carga en Low. Con dicho
voltaje obtenido en la medición se aplica el con-
cepto de divisor de capacitancias obteniendo que:
VPinLectura = VFuente
CExterna
CInterna + CExterna
(1)
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 4
De la ecuación anterior se despeja la capac-
itancia externa teniendo en cuenta que primero
se halla la capacitancia interna de los pines
que se están trabajando. Lo que para términos
prácticos se nombra como capacitancia interna
en la práctica es mas complejo puesto que no
se comporta de manera lineal ni constante, por
lo que es necesario hacer una una curva de cali-
bración que modele el comportamiento de dicha
variable. Para esto se emplea la misma ecuación y
el mismo método pero con capacitancias externas
conocidas. Dado el orden de magnitud de dichas
capacitancias, la curva de calibración se realiza
con capacitores cerámicos medidos en un LCR
meter (medidor de capacitancias, resistencias e
inductancias) de referencia SR715 como el que se
muestra en la imagen de la Figura 2, el cual tiene
un error del 0.2% y una tasa de muestreo de hasta
20 mediciones por segundo [21].
Fig. 2. LCR SR715 [21]
Para la calibración se emplea un método it-
erativo en el cual se va incrementando en pasos
de 0.01 la capacitancia interna y se compara la
capacitancia externa teórica con la capacitancia
externa calculada. Cuando se encuentra el valor
con una tolerancia de 0.01 lo almacena y repite el
proceso 20 veces para finalmente promediar con
los valores encontrados.
Una vez obtenida la curva de calibración se
pueden realizar mediciones en un rango entre 1
y 100 pico-faradios. Con la curva de calibración,
al momento de medir se realiza una medición
rápida con todos los valores de capacitancia in-
terna, como cada capacitancia interna tiene aso-
ciada una capacitancia externa de calibración se
compara la capacitancia que se está con la ca-
pacitancia externa asociada a cada punto de cali-
bración y se saca el error. La medición que tenga
menor error es corresponderá a la capacitancia
interna escogida para la medición. Con dicha
capacitancia interna se aplica la formula y se
realizan 100 iteraciones de medición, las cuales se
promediaran para obtener un valor mas preciso.
5.2 Conexión NFC
Para este proyecto se emplea un sensor NFC
(Figura 3) de referencia ST25DV16 [17] incorpo-
rado en un modulo Extended Click de MakroE [22]
y para las pruebas iniciales se emplea la tarjeta
de desarrollo STM32F303K08 (Figura 4) [24], con
la cual se realizan las pruebas de funcionamiento,
medición y calibración de las capacitancias.
Fig. 3. NFC Extended Click [22]
Fig. 4. Conexiones Tarjeta desarrollo STM32F303K8 [24]
La comunicación entre estos dos componentes
se hace mediante el protocolo I2C dado que el
modulo NFC funciona con esté metodo de co-
municación y adicional a esto, tiene una memo-
ria programable EEPROM (Electrically Erasable
Programmable Read-Only Memory) en la cual
se almacenan los datos que se quieren enviar
a través de la lectura de radio-frecuencia y se
modifican registros de configuración que habil-
itan o inhabilitan funcionalidades. Para lo que le
compete a este proyecto se requieren hacer dos
tareas; la primera es el registro de información
por medio de I2C que pueda ser leı́da por un
dispositivo externo por medio de radiofrecuencia
NFC y la segunda es habilitar la funcionalidad
de Energy Harvesting mediante la modificación
de registros para que se pueda aprovechar dicha
energı́a. La ejecución de estos procesos se puede
apreciar en los siguientes diagramas de flujo de
las Figuras 5 y 6 respectivamente.
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 5
Fig. 5. Diagrama de flujo para escribir datos en sensor NFC
Inicialmente se tienen los prefijos para que
el celular pueda leer un texto o un URL, sin
embargo existen mas formas de presentación de
datos, lo cualesse consideran no importantes
para este proyecto y por ende no se definen ni
en el algorirmo ni en el código.
Fig. 6. Diagrama de flujo para activar NFC
Es importante aclarar que cada vez que se
carga un código a la tarjeta es necesario cargar
la función creada de habilitación del NFC porque
el modulo ST25DV por defecto reinicia al valor
inicial este registro cuando se vuelve a cargar un
código nuevo.
5.3 Diseño de dispositivo autónomo
Una vez estandarizado el método de
medición y verificado el funcionamiento de todos
los componentes incluyendo el pin de cosecha de
energı́a del módulo ST25DV, se procede a desar-
rollar un sistema embebido que permita el fun-
cionamiento integral de todos los componentes
sin necesidad de una alimentación externa difer-
ente a la proporcionada por el protocolo NFC. A
pesar de que, en la aplicación STM32CubeIDE se
permite configurar el hardware de la tarjeta para
inhabilitar o habilitar componentes, la tarjeta
STM32F303k08 cuenta con periféricos adicionales
como un programador, un regulador de voltaje
y un diodo LED verificador de alimentación;
junto con todos los elementos pasivos que estos
requieren. Estos componentes siempre generan
un consumo base independiente a la operación
de la tarjeta, por lo que se decide migrar a una
tarjeta de desarrollo que no incorporase ninguno
de esto, que se pudieran aislar del sistema o
en la que se pudieran retirar fı́sicamente. La
tarjeta de desarrollo escogida en este caso fue
la STM32F103C6 que incorpora un núcleo con la
misma referencia(Figura 7)
Fig. 7. Conexiones Tarjeta desarrollo STM32F303K8 [23]
6 RESULTADOS
6.1 Algoritmo Medición y Calibración
La conexión escogida para la conexión de la
capacitancia en la tarjeta STM32F303K8 es entre
los pines PB6 y PB7 para los cuales se obtuvo
la curva de calibración de la Figura 8. De dicha
curva se aprecia que tiene tendencia logarı́tmica
y por ende no se puede emplear un solo valor
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 6
de capacitancia interna porque en cuanto mas se
aleje del valor de calibración mayor error va a
tener.
Fig. 8. Curva de calibración de capacitancia para los pines
PB6 y PB7
Utilizando otras capacitancias medidas con el
mismo LCR se realizan mediciones y se com-
paran con el método implementado en la STM32
obteniendo errores promedio de 5% con un max-
imo error de 10.8% para capacitancias de 1pF y
un mı́nimo error de 1.6% para capacitancias de
30pF(Figura 9) Con esta tendencia se considera
que el error obtenido se encuentra dentro del
rango permitido y se propone una calibración
con más capacitancias especialmente en valores
menores a 5pF y mayores a 50pF. Adicional-
mente, una vez se tenga el rango de trabajo del
sensor interdigitado, se realizaran mas calibra-
ciones que disminuyan el error del medida del
sensor.
Fig. 9. Curva de error de capacitancia para los pines PB6
y PB7
A pesar de que el método presenta bastante
precisión y exactitud no estaba del todo opti-
mizado, dado que como se aprecia en la Figura
8 la capacitancia interna no se comporta como
una constante sino que varı́a dependiendo de la
capacitancia externa. Adicional a esto, el hecho de
tener dicha variable de capacitancia externa im-
plicaba el ingreso de un parámetro tanto para cal-
ibración(capacitancia externa teórica) como para
medición (capacitancia interna), adicional a la
cantidad de tareas requeridas para encontrar la
relación de dichas capacitancias durante la lec-
tura. Para solucionar dicho problema se hace una
relación directa entre la capacitancia externa y la
lectura del ADC del microcontrolador, dicho pro-
cedimiento simplifica todo el macro-algoritmo
del proyecto ya que tanto en calibración como
en medición se mide únicamente el valor ADC
y se relaciona a un valor de capacitancia según
la curva de calibración. Adicionalmente ya no
se emplea ningún método iterativo a razón de
que dicho método se usaba para relacionar las
capacitancias externa e interna. Para el tiempo en
el que se hizo la previa modificación ya se tenia
desarrollado el prototipo final de la Figura 16, con
el cual se obtuvieron las siguientes curvas de cal-
ibración para dos diferentes rangos de medición.
Fig. 10. Curvas de calibración prototipo final para rango
1pF a 10pF
Fig. 11. Curvas de calibración prototipo final para rango
10pF a 120pF
Como se aprecia en ambas curvas se tiene
una tendencia exponencial pero con diferentes
valores, motivo por el cual se tuvo que dividir
en dos partes.
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 7
6.2 Conexion NFC
Durante el desarrollo del código se realizan
lecturas en las direcciones de memoria en las
que se escribe para verificar si efectivamente se
esta ingresando el valor que se quiere. Adicional
a esto se unifica el código con el de medición
para que el sistema mida y transfiera los datos
al modulo NFC, cabe aclarar que en este caso fue
necesario modificar los pines de medición dado
que los que estaban inicialmente coincidı́an con
los pines de comunicación I2C.Para probar el fun-
cionamiento de estos dos elementos en conjunto
se carga el código y posteriormente se hace una
lectura en el celular empleando la aplicación NFC
tools en IOS [27]. Como resultado se obtiene la
captura de pantalla que se muestra en la Figura
12.
Fig. 12. Lectura de Capacitancia en aplicación NFC Tools
[27].
En dicha aplicación se obtienen todos los
datos caracterı́sticos del modulo NFC pero mas
importante aún se obtienen la medida en el for-
mato texto en la última casilla. Para esa medición
se empleó una capacitancia de 1pF, sin embargo
como se cambiaron los pines se debı́a volver a
calibrar.
Posteriormente se realizan las pruebas cor-
respondientes de Energy Harvesting inicialmente
colocando un LED entre el pin de Energy Har-
vesting y tierra del modulo NFC, el cual encendı́a
cuando se acercaba el celular a la antena como se
muestra en la Figura 13.
Fig. 13. Prueba Energy Harvestig con LED
Después se decide cambiar el diodo LED por
el multimetro obteniendo un máximo de 3.35
voltios cuando el celular se encontraba alineado
en la mejor posición con la antena.
6.3 Diseño de Dispositivo autónomo
Como el objetivo final era desarrollar una
tarjeta que funcionara únicamente a partir de
la energı́a suministrada por el NFC, se procede
a comparar la tarjeta de desarrollo inicial con
una con menores caracterı́sticas y a su vez,
con menor número de componente periféricos
(STM32 núcleo F103C6). Se carga primeramente
un código de encendido y apagado del LED
incorporado en cada tarjeta y en segundo lugar
un código vacı́o. Para el segundo código se retiró
el LED de verificación de alimentación a la tar-
jeta STM32F103C6 para ver el mı́nimo consumo
posible en la misma.
TABLE 1
Consumos y Generación Corriente Componentes
Detalle de Consumo Medida U. Dir.
Corriente Modulo NFC 2.2 mA Out
Corriente STM32F303K08 4.0 - 60 mA In
Corriente STM32F103C6 5.5 - 8.2 mA In
Con base en la Tabla 1 se puede concluir que
no es posible implementar dicho sistema con un
microcontrolador de esta categorı́a. Cabe aclarar
que dichas pruebas se hicieron con la frecuencia
mı́nima de trabajo de los osciladores según la
hoja de caracterı́sticas de cada uno (8MHz) [24]
[25], ya que a menor frecuencia se tiene menor
consumo.
Teniendo en cuenta los requerimientos en-
ergéticos del proyecto y la previa funcionali-
dad del mismo, se procede a adquirir un mi-
crocontrolador de bajo consumo de referencia
STM32L151C6; un componente que tiene con-
sumos inferiores a 1mA cuando opera a frecuen-
cias menores a 4.2Mhz [26]. De igual manera se
aprovechó la compra del componente para crear
una tarjeta PCB propia. Siguiendo el manual del
microcontrolador y los diseños actuales de las
tarjetas de desarrollo de la marca se elabora el
diseño circuital junto con el diseño PCB presentes
en las gráficas Figuras 14 y15.
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓNDE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 8
Fig. 14. Diseño circuital prototipo prototipo de bajo con-
sumo
Fig. 15. Ensamble PCB prototipo de bajo consumo
Las dimensiones de la tarjeta son 3cm x 3cm
y en su momento incorporaba todos los compo-
nentes de manera compacta sobre una sola capa,
sin embargo dada la complejidad y el tiempo esti-
mado para el desarrollo completo de dicha tarjeta
se finaliza esta etapa de desarrollo con el diseño
de la tarjeta. Para probar el funcionamiento total
del proyecto con el microcontrolador de bajo con-
sumo se retiro dicho componente de la tarjeta de
desarrollo STM32F103C6 y se ensamblo el com-
prado. Este procedimiento se pudo llevar a cabo
gracias a que los microcontroladores de la marca
con igual numero de pines y encapsulado tienen
el mismo ordenamiento de los mismos. Una vez
se realizó el dicho trabajo se procede a realizar
pruebas, en este caso empleando el código propio
del funcionamiento completo. Luego de varias
pruebas, se tiene un resultado exitoso en el que
el sistema funciona empleando únicamente la
energı́a inyectada por el teléfono mediante el
sistema de comunicación NFC (Figura 16).
Fig. 16. Prototipo final Funcional
Con el prototipo de la Figura 16 y una vez
optimizado el código se realizan las curvas de
calibración tomando 5 medidas por cada capaci-
tancia conocida, sin embargo en este caso se cam-
bian los rangos de medición, obteniendo como
resultado mas segmentaciones de la curva pero
con tendencias lineales. Para este caso se incor-
poró el algoritmo de la calibración en la medición
del ADC, esto con el fin de obtener el la misma
lectura en ambos métodos, de tal forma que se
reduce el error provocado por la dependencia del
número de tareas realizadas y la frecuencia del
oscilador con la medición.
Fig. 17. Curvas de calibración prototipo final con código
optimizado para rango 1pF a 17pF
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA MEDICIÓN DE CALIDAD DE SUSTANCIAS: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 9
Fig. 18. Curvas de calibración prototipo final con código
optimizado para rango 17pF a 70pF
De las curvas de las de las Figuras 17 y 18 se
observan varios comportamientos importantes a
la hora de analizar el funcionamiento del sistema.
El primero es que dada la pendiente obtenida
para los rangos inferiores, y por ende la res-
olución de dicha escala, se tiene mayor error en la
misma. Este caso no sucede en la segunda escala
por el hecho que se tiene una dispersión máxima
de 20 valores en el ADC mientras que en la escala
anterior dicho valor es de casi 70 posiciones. De
igual manera la pendiente es considerablemente
inferior, hecho que incrementa la resolución del
sistema. Además se puede ver que las escalas son
mas reducidas, esto implica que se debe hacer un
análisis más detallado en los puntos donde existe
cambio de pendiente.
6.4 Trabajos Futuros
Gracias al funcionamiento total de los pro-
totipos realizados, el proyecto tiene potencial
de escalabilidad para desarrollo de sistemas
de sensado que incorporen mediciones rápidas
con periféricos de bajo consumo. Adicional-
mente se puede realizar una caracterización y se-
lección más rigurosa de sensores que se adapten
tanto al objetivo propuesto como a contextos
de medición diferentes, involucrando electrodos
interdigitados para realización de mediciones en
el cuerpo humano. Asimismo. se plantea la posi-
bilidad de incorporar dispositivos alámbricos o
inalámbricos que permitan hacer más de una
medición a la vez en vista al sector industrial.
7 CONCLUSIONES
• El método de medición realizado presenta
alta precisión y exactitud para los rangos
en los que se encuentran los sensores in-
terdigitados, lo que hace posible la car-
acterización de compuestos lı́quidos con
variables electrónicas para determinación
de posibles contaminantes en sustancias.
• Dada la presencia de los dispositivos
móviles en la cotidianidad, se pueden
realizar dispositivos electrónicos que
aprovechen componentes de los mismos
para ası́ generar menor impacto ambiental
ligado al menor uso de recursos, como
pantallas y baterı́as.
• El método de medición desarrollado esta
directamente relacionado con la frecuen-
cia del oscilador y el numero de tareas
que ejecute el mismo por lo que el cambio
de algunos de estos parámetros implica la
necesidad de una nueva calibración.
• El desarrollo del proyecto sin uso de li-
brerı́as de los componentes hace que la
curva de aprendizaje sea más demorara
y compleja, sin embargo se tiene mayor
consistencia en los códigos, efectividad
en corrección de errores y menor uso de
Memoria Flash del microcontrolador.
• A pesar de la globalización y la fa-
cilidad de adquisición de componentes
electrónicos, existe una barrera de entrada
al mercado propiciada por las inexisten-
cias de tecnologı́as en el paı́s. Para el
diseño y desarrollo de la tarjeta fue nece-
sario importar piezas de Estados Unidos y
China. Esto a su vez implica una oportu-
nidad de mercado en Colombia.
• El diseño y ejecución de proyectos min-
imiza el uso de recursos y a su vez los
costos de fabricación de los sistemas com-
parados con el uso directo de compo-
nentes comerciales como tarjetas de desar-
rollo.
• En vista de que el método es altamente
dependiente del montaje y de la configu-
ración del oscilador, se recomienda para
futuras configuraciones no realizar las 5
repeticiones para cada capacitor sino hasta
que se sistema embebido final llegue al
final con todas las conexiones.
REFERENCES
[1] Ministerio de Salud y Proteccion Social, Estrategia Na-
cional de Respuesta Integral Frente Al Consumo de Alcohol
en Colombia, Bogotá, 2012.
[2] La Republica, Una quinta parte de las bebidas alcohólicas
en el territorio nacional se ve afectada por la ilegalidad,
2020.
[3] El Observatorio Regional Ambiental y de Desarrollo
Sostenible del Rı́o Bogotá, Causas y consecuencias de
la contaminación del agua en Colombia, http://www.
orarbo.gov.co, 2021.
[4] Diederik Ruk, Dispositivo desarrollado por javerianos per-
mite detectar licor adulterado,www.javeriana.edu.co, 28
02 2021.
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