tesis detector dióxido de carbono part. 2

7/27/2019 Tesis Detector Dixido de Carbono Part. 2

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I

RESUMEN

El presente trabajo hace evidente la participacin de la ingeniera electrnica, y de comohace ms eficientes los mtodos y procesos, bajo una visin de innovacin en el

monitoreo de dixido de carbono haciendo referencia a las principales tcnicas aplicadashoy en da, as como algunos elementos que permitan planear sus aplicaciones futuras.

Actualmente el cambio climtico se presenta como una consecuencia del aumento de latemperatura global producida por los gases de efecto invernadero, entre los cualesdestaca el dixido de carbono. Por esta razn se decidi por monitorear este gas con eldispositivo realizado en este proyecto, para as con los resultados obtenidos dar a conocerla cantidad del gas presente y posteriormente realizar actividades preventivas o iniciaractividades para la solucin de este problema.

Para la elaboracin del dispositivo se utiliz un sensor electroqumico de CO2 el cual est

conectado a un mdulo que activa al sensor mediante su circuito de calentamiento yacondiciona la seal de salida del sensor para poder tomar las mediciones de voltaje queeste nos manda dependiendo de la concentracin de dixido de carbono de unadeterminada rea.

Al obtener los valores de salida del sensor se realizaron los clculos requeridos paraestablecer cul es la concentracin de dixido de carbono conforme a los datos medidospresente en ese momento del muestreo.

Se inici la interfaz de comunicacin entre el microcontrolador PIC y el mdulo del sensor

el cual est conectado a un convertidor analgico/digital interno del microcontroladorpara tomar los voltajes entregados por el sensor y representarlos de manera quepodamos manejarlos.

En la programacin se establecieron los clculos antes realizados, para en el momentocuando el microcontrolador PIC reciba los datos del mdulo los convierta, y as elaboreuna relacin entre la concentracin y los datos que recibe del sensor.

Al tener una la relacin de datos recibidos y la concentracin de dixido de carbono semandan al display LCD para que se muestren en la pantalla, de esta manera se realiza unmonitoreo de una manera ms didctica con el usuario.

Tambin se estableci en la programacin un rango en el cual se manda una seal dealarma al llegar a una concentracin considerada alta, para que el usuario sea avisado quela zona es potencialmente peligrosa por alta concentracin de dixido de carbono.

Una vez terminado este dispositivo se procedi a tomar mediciones de dixido de carbonoen un rea despejada para verificar su buen funcionamiento y calificar su desempeo.


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II

DEDICATORIAS

A MIS PADRES:

Francisco Javier Galvn Chvez.

Rosa Eugenia Rojas Regina.

Quienes para m sern siempre los padres ms valiosos de este mundo, con los que tuvevivencias maravillosas a lo largo de mi vida, siempre estuvieron para apoyarme cuando lonecesitaba y me dieron una buena formacin tanto personal como acadmica.

A MIS HERMANAS:

Rosa Gabriela Galvn Rojas.Por ser una persona que siempre he visto como un ejemplo a seguir, he recibido su apoyocada vez que lo necesitaba, siempre ha estado al pendiente y ha cuidado de m desde que

ramos muy pequeos.

Karla Daniela Galvn Rojas.Quien a pesar de ser menor que yo siempre estuvo al pendiente de m cada vez que salade casa por motivos de estudios y por ser una gran persona mientras conviv con ella.

A MI NOVIA:

Cristal Amaranta Alcaraz Cuevas.Quien siempre me acompao dndome su apoyo, amor incondicional y por sus oracionespara seguir adelante mientras realizaba mis estudios en la universidad.

A MIS PRIMOS:

Con los que conviv mucho tiempo compartiendo la misma casa y que siempre tuvimosuna buena relacin y comunicacin.

AL RESTO DE MI FAMILIA EN GENERAL:

Que siempre me apoyaron en los momentos difciles mientras estuve lejos de mi familia yestuvieron al pendiente de m en todo momento.

A MIS COMPAEROS DE CLASE:

Con los que compart muchos momentos agradables dentro y fuera de la universidaddonde convivimos como una familia y siempre estuvimos apoyndonos unos a otros parasalir adelante todos de igual forma.


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III

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis padres, que me educaron y siempre me dieron su apoyo.

Agradezco a mis hermanas, que me alentaron a salir adelante.

Agradezco a mi novia y su familia, por su apoyo incondicional.

Agradezco a mis primos y tos, por estar a mi lado en todo momento.

Agradezco a mis amigos, con los que conviv la mayor parte del tiempo y compart buenosmomentos a su lado.

Agradezco a mis asesores, el Ing. Alejandro Elizalde Torres y el M.C. Carlos Cedillo Nakay.

Agradezco a la Facultad de Ingeniera Mecnica y Elctrica, por mi formacin acadmica.

Agradezco a la Universidad de Colima, por la oportunidad de estudiar en sus planteles.

Agradezco a todas las personas que estuvieron a mi lado compartiendo momentos quesiempre recordare.


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IV

NDICE

CONTENIDO PGINA

RESUMEN I

DEDICATORIAS II

AGRADECIMIENTOS III

NDICE IV

NDICE DE CUADROS VI

NDICE DE FIGURAS VII

GLOSARIO DE TRMINOS Y ABREVIATURAS IX

CAPITULO 1 INTRODUCCIN 1

CAPITULO 2 MARCO TERICO 2

PRINCIPALES FUENTES DE CO2 Y SUINFLUENCIA EN LA INDUSTRIA 3

EL DIXIDO DE CARBONO Y LA SALUD 4 MEDICIN DEL CO2 5 SENSORES DE GASES. 6

a.) Sensores Electroqumicos 6b.) Sensores por Semiconductor 7c.) Sensores de Conductividad Trmica 8d.) Sensores Catalticos 8e.) Sensores NDIR (Non Dispersive Infra Red) 9

MICROCONTROLADORES PIC 10a.) Protocolos de Comunicacin 11

CAPITULO 3 JUSTIFICACIN 14

CAPITULO 4 HIPTESIS 15

CAPITULO 5 OBJETIVOS 16CAPITULO 6 ESTRUCTURA A BLOQUES 17

DIAGRAMA DE PROCESO. 18CAPITULO 7 METODOLOGA 19

DESCRIPCIN DEL SENSOR. 19a.) Calibracin 21


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V

DESCRIPCIN DEL MDULO ACONDICIONADOR... 22a.) Acondicionamiento de Seal 24b.) Comparador 24c.) Diagrama de conexin para la simulacin y pruebas 25

DESCRIPCIN DEL MICROCONTROLADOR 26a.) Diagrama de conexin para la simulacin y pruebas 28

DISPLAY LCD.... 29a.) Diagrama de conexin para la simulacin y pruebas 30

RELOJ EN TIEMPO REAL (RTC) 30a.) Diagrama de conexin para la simulacin y pruebas 32

ETAPA DE ALARMA. 32a.) Diodos LED 33b.) Altavoz Piezoelctrico (Buzzer) 34c.)

Diagrama de conexin para la simulacin y pruebas 35

ETAPA DE ALIMENTACIN. 35a.) Regulador de Voltaje 7805 36b.) Diagrama de conexin para la simulacin y pruebas 36

PROGRAMADOR DE MICROCONTROLADORES PIC. 37 SOFTWARE DE SIMULACIN. 38 SOFTWARE DE PROGRAMACIN.. 40

CAPITULO 8 PRUEBAS Y RESULTADOS 41

CAPITULO 9 CONCLUSIONES 53

CAPITULO 10 BIBLIOGRAFA 54

SUGERENCIAS 55

ANEXOS 56

Anexo A. Estndar ASHRAE 62 57 Anexo B. La curva de Keeling.. 60 Anexo C. Librera DS1307.c.... 63 Anexo D. Librera LCD.c.. 67 Anexo E. Cdigo de programacin.. 70


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VI

NDICE DE CUADROS

Tabla 1.- Efectos del CO2 sobre una persona. 5

Tabla 2.- Familias de Microcontroladores PIC.. 10

Tabla 3.- Especificaciones del sensor MG811 en condiciones optimas 20

Tabla 4.- Descripcin de los pines de salida del mdulo acondicionador. 24

Tabla 5.- Caractersticas internas del PIC18f4620. 26

Tabla 6.- Configuracin de pines del Display LCD.. 29

Tabla 7.- Descripcin de los pines del RTC DS1307 31

Tabla 8.- Especificaciones clave del RTC DS1307 31

Tabla 9.- Color de emisin del LED con respecto a la longitud de onda. 34

Tabla 10.- Representacin de la concentracin con respecto al voltaje... 45

Tabla 11.- Representacin de salida del sensor MG811 46


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VII

NDICE DE FIGURAS

Figura 1.- Ciclo del bixido de carbono 1

Figura 2.- Efecto Invernadero.. 3

Figura 3.- Produccin de bixido carbono.. 4

Figura 4.- El dixido de carbono en la respiracin. 5

Figura 5.- Composicin de un sensor electroqumico. 7

Figura 6.- Composicin de un sensor por semiconductor 7

Figura 7.- Composicin de un sensor de conductividad trmica 8

Figura 8.- Composicin de un sensor cataltico. 8

Figura 9.- Composicin de un sensor NDIR.. 9

Figura 10.- Arquitectura Harvard 11

Figura 11.- Diagrama a bloques del dispositivo 17

Figura 12.- Sensor MG811 de CO2. 19

Figura 13.-Estructura sensor MG811.. 20

Figura 14.- Relacin de la tensin de salida y la concentracin de CO2. 21

Figura 15.- Mdulo acondicionador de seal. 23

Figura 16.- Bloques de conexin del sensor al PIC. 23

Figura 17.- Esquemtico para el acondicionamiento de seal del sensor 24

Figura 18.- Esquemtico comparador de seal VOUT 25

Figura 19.- Diagrama de simulacin del mdulo acondicionador. 25

Figura 20.- Vista externa del PIC18F4620 26

Figura 21.- Descripcin de los pines del PIC18F4620.. 28

Figura 22.- Diagrama de funcionamiento bsico del microcontrolador 28

Figura 23.- Pines del Display LCD.. 29

Figura 24.- Diagrama de conexin del display LCD.... 30

Figura 25.- Pines RTC DS1307. 31

Figura 26.- Diagrama de conexin del RTC DS1307 32

Figura 27.- Sistema de alarma con LEDs indicadores y un buzzer 32

Figura 28.- Configuracin del diodo LED. 33


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VIII

Figura 29.- Configuracin interna del buzzer.. 34

Figura 30.- Diagrama de conexin de la etapa de alarma. 35

Figura 31.- Configuracin de los pines del regulador de voltaje... 36

Figura 32.- Etapa de alimentacin regulada a 5V... 36

Figura 33.- Programador ICD2 para microcontroladores.. 37

Figura 34.- Conexin del ICD2 con un microcontrolador... 38

Figura 35.- Software Proteus.. 38

Figura 36.- Ventana de creacin de PCB 39

Figura 37.- Ventana de simulacin de circuitos 39

Figura 38.- Ventana de programacin. 40

Figura 39.- Conexin para el calentamiento del sensor.. 41

Figura 40.- Voltaje medido en el pin de salida del sensor. 42

Figura 41.- Mdulo para acondicionar y amplificar la salida del sensor 42

Figura 42.- Sensor MG811 montado en el mdulo acondicionador 43

Figura 43.- Diagrama para pruebas del mdulo acondicionador. 43

Figura 44.- Diagrama completo de conexiones para el detector de CO2 44

Figura 45.- Mediciones de voltaje del sensor y mdulo acondicionador. 46

Figura 46.- Primer mensaje desplegado en el LCD.. 47

Figura 47.- Segundo mensaje desplegado en el LCD.. 47

Figura 48.- Tercer mensaje desplegado en el LCD.. 47

Figura 49.- Mensaje para sensar desplegado en el LCD.. 47

Figura 50.- Cdigo de programacin en PIC C Compiler.... 48

Figura 51.- Circuito general para la simulacin en ISIS... 49

Figura 52.- PCB del circuito general elaborado en ARES.... 50

Figura 53.- Diseo del PCB perforado en la placa.. 51Figura 54.- Dispositivo detector de CO2 terminado.. 52


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IX

GLOSARIO DE TRMINOS Y ABREVIATURAS

AA.- Abreviatura de amperes. Es la unidad de medida para la intensidad de corriente

elctrica.ADC.- Analog-to-Digital Converter; Circuito que convierte una seal analgica en digital.Se utiliza para muestrear una seal analgica y convertirla en un valor digital de 'n' bits.ASCII.- American Standard Code for Information Interchange; Cdigo estndar decaracteres para el intercambio de informacin basado en el alfabeto latino.

BBits.- Binary digit; Es una seal electrnica que puede indicar estar encendida (1) oapagada (0). Es la unidad ms pequea de informacin que utiliza un ordenador.BOOL.- Se utiliza para realizar comprobaciones lgicasverdaderas o falsas.Buffer.- Es un espacio de memoria reservada para el almacenamiento temporal deinformacin, en el que se almacenan datos para evitar que el programa o instrumentoelectrnico se quede sin datos durante una transferencia.Bus.- Es un sistema que transfiere datos entre los componentes de una computadora odispositivo electrnico.Buzzer.- Tambin conocido como altavoz piezoelctrico, dispositivo que transforma laelectricidad en un sonido continuo o intermitente de un mismo tono.Byte.- Es la unidad de informacin formada por 8 bits.

CCalibracin.- Es la comparacin de un estndar de medicin de un equipo con respecto a

otro equipo de mayor exactitud, para detectar imprecisiones y eliminarlas mediante unajuste.Chip.- Es un circuito integrado de material semiconductor, de algunos milmetroscuadrados de rea sobre la que se fabrican circuitos electrnicos.Chip Select.- Es el nombre de una lnea de control usado en electrnica digital paraseleccionar un nico chip de entre otros conectados al mismo bus de computadora.Circuito Integrado.- Es una pastilla muy delgada en la que se encuentran miles o millonesde dispositivos electrnicos interconectados.Circuito Comparador.- Son circuitos que sirven para comparar dos seales de voltajeobtenindose como resultado una tensin alta o baja.Combustin.- Es una reaccin qumica de oxidacin, en la cual generalmente se

desprende una gran cantidad de energa, en forma de calor y luz.Conductividad Trmica.- Es una caracterstica de los materiales que mide la capacidadde conduccin de calor.Constante de Faraday.- Se define como la cantidad de carga elctrica en una sustanciaque contiene electrones.CO2.- Es la abreviatura de dixido de carbono, expresada as por contener una molculade carbono y dos molculas de oxigeno.


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X

CPU.- Central Processing Unit; Es el componente principal del ordenador y otrosdispositivos programables, que interpreta las instrucciones contenidas en los programas yprocesa los datos.

DDato LSB.-Least Significant Bit; Es la posicin del bit en un nmero binario que tiene elmenor valor, se hace referencia como el bit del extremo derecho.Dato MSB.- Most Significant Bit; Es la posicin del bit en un nmero binario que tiene elmayor valor, se hace referencia como el bit del extremo izquierdo.dB.- Abreviatura de decibelios. Es la medida utilizada para expresar el nivel de potencia yel nivel de intensidad del ruido.DC.- Direct Current; Significa corriente directa, donde la corriente siempre fluye en lamisma direccin.Diodo.- Es un componente electrnico de dos terminales que permite la circulacin dela corriente elctrica a travs de l en un solo sentido.DIP.-Dual In-line Package; Es una forma de encapsulamiento comn en la construccinde circuitos integrados. La forma consiste en un bloque con dos hileras paralelas de pines,la cantidad de stos depende de cada circuito.

EEcuacin de Nernst.-Expresa la relacin cuantitativa entre el potencial redox estndar deun par redox determinado, su potencial observado y la proporcin de concentracionesentre el donador de electrones y el aceptor.Efecto Invernadero.- Es un fenmeno por el cual ciertos gases retienen parte dela energa emitida por el suelo tras haber sido calentado por la radiacin solar.Electroacstica.- Es la parte de la acstica que se ocupa del estudio, anlisis, diseo dedispositivos que convierten energa elctrica en acstica.Electrodo.- Es un conductor elctrico utilizado para hacer contacto con una parte nometlica de un circuito.Electroltico.- Consisten en depositar por va electroqumica finas capas de metal sobre lasuperficie de una pieza sumergida en una solucin de iones metlicos o electrolito.Electroqumico.- Elemento que realiza la transformacin entre la energa elctrica y laenerga qumica.

FFEM.- Abreviatura de Fuerza Electromotriz.Filamentos.- Es el hilo en espiral que genera luz por accin de la temperatura.

Firmware.- Es un bloque de instrucciones de mquina grabado en una memoria, queestablece la lgica de ms bajo nivel que controla los circuitos electrnicos de undispositivo de cualquier tipo.Fuerza Electromotriz.- Es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entredos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente elctrica en un circuitocerrado.Full-dplex.-Significa que los datos pueden ser transmitidos en ambas direcciones sobreuna seal transportadora al mismo tiempo.
http://definicion.de/energiahttp://definicion.de/energia


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XI

GGND.- Ground; Conocida como tierra o masa, definido como el punto de referencia atravs del cual vamos a hacer medidas de tensiones en un circuito.Gohm.- Abreviatura de Gigaohm, esto es igual a 1,000,000,000 Ohm.

HHz.- Abreviatura de Hertz, es la unidad de medida para la frecuencia.Hidrocarburos.- Son compuestos orgnicos formados slo por tomos de carbono ehidrogeno.Host.- Trmino usado para referirse a las computadoras conectadas a una red, queproveen y utilizan servicios de ella.Hub.-Dispositivo que permite centralizar el cableado de una red y poder ampliarla.

KKb.- Abreviatura de Kilobits, esto es igual a 1 024 bytes.

LLa Curva de Keeling.- Es una grfica que muestra los cambios en la concentracinde dixido de carbono en la atmsfera desde 1958.LMC662.- Amplificador operacional dual, es ideal para la operacin de una sola fuente.

MmA.- Abreviatura de miliAmperes, esto es igual a 0.001 Amperes.Mbits.- Abreviatura de Megabits, esto es igual a 1 048 576 bytes.Memoria EEPROM.- Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; Permite elalmacenamiento y sobre-escritura de datos por medio de voltajes de los circuitoselectrnicos, adems sostienen la informacin por muchos aos sin alimentacin.Memoria RAM.-Random Access Memory; Es donde el computador guarda los datos queest utilizando en el momento presente. El almacenamiento es considerado temporal porque los datos y programas permanecen en ella mientras que la computadora esteencendida o no sea reiniciada.Memoria ROM.- Read-Only Memory; Es un medio de almacenamiento utilizado enordenadores y dispositivos electrnicos, que permite slo la lectura de la informacin y nosu escritura, independientemente de la presencia o no de una fuente de energa.MHz- Abreviatura de MegaHertz, esto es igual a 1 000 000 Hertz.MIPS.- Abreviatura de Millones de Instrucciones Por Segundo.Mdulo EUSART.- Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter;

interfaz de comunicacin serie que transmite y recibe datos utilizando el formato estndarde no retorno a cero.mV.- Abreviatura de miliVolts, esto es igual a 0.001 Volts.

NnA.- Abreviatura de nanoAmperes, esto es igual a 0.000000001 Amperes.Nmeros BCD.-Es un estndar para representar nmeros decimales en el sistema binario,en donde cada dgito decimal es codificado con una secuencia de 4 bits.


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XII

OOhm.- Es la unidad de medida de la resistencia que oponen los materiales al paso de lacorriente elctrica.Oxidacin Cataltica.- Se basa en la utilizacin de agentes que aceleran las reaccionesqumicas que transforman el monxido de carbono en dixido de carbono.

PParamagnetismo.- Es la tendencia de los momentos magnticos libres a alinearseparalelamente a un campo magntico.PCB.-Printed Circuit Board; Es una superficie constituida por caminos o pistas de materialconductor laminadas sobre una base no conductora.PH.- Es una medida de acidez o alcalinidad de una disolucin.Pellistor.- Se utiliza para detectar gases que tienen una diferencia significativa en laconductividad trmica a la del aire.Perifricos.- Dispositivos auxiliares e independientes conectados a la unidad central de

procesamiento.Pines.- Terminal o patilla a cada uno de los contactos metlicos de un conector o de uncomponente.Potencimetro.- Es una resistencia a la que se le vara el valor.PPM.- Partes Por Milln, es la unidad de medida con la que se evala la concentracin.Puente de Wheastone.- Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante cuatroresistencias que forman un circuito cerrado.Pull-up.-Elevacin de la tensin de salida para un dispositivo digital.PWM.- Pulse-Width Modulation; Seal o fuente de energa es una tcnica en la que semodifica el ciclo de trabajo de una seal peridica.

RReaccin Andica.- Proceso donde hay prdida o liberacin de electrones comoconsecuencia del paso del metal a su forma inica (oxidacin).Reaccin Catdica.- Proceso donde hay ganancia de electrones producidos en el nodo yse combinan con determinados iones presentes en el electrolito.Reaccin Redox.- Son aquellas en las que se transfieren electrones de una sustancia aotra.Regin N.-Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipo deelemento, normalmente pentavalente, es decir con 5 electrones en la capa de valencia, alsemiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres.

Regin P.-Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, sustituyndole algunos delos tomos de un semiconductor intrnseco por tomos con menos electrones de valenciaque el semiconductor anfitrin.Regulador de Voltaje.- Son usados para mantener una salida de voltaje predeterminada, apesar de las variaciones en la entrada de la fuente.RTC.- Real-Time Clock; Es un reloj incluido en un circuito integrado, que mantienela hora actual.


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XIII

SSemiconductor.- Es un elemento que se comporta como un conductor ocomo aislante dependiendo de factores como el campo elctrico o magntico, la presin,la radiacin que le incide, entre otros.Seal Analgica.-Seal generada por algn tipo de fenmeno electromagntico y que esrepresentable por una funcin matemtica continua en la que es variablesu amplitud y periodo en funcin del tiempoSeal Digital.- Seal generada por algn tipo de fenmeno electromagntico en que cadasigno que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en trmino de algunasmagnitudes que representan valores discretos.

TTensin.- Tambin denominada voltaje.Tohm.- Abreviatura de Teraohm, esto es igual a 1 000 000 000 000 Ohms.Transferencia Asncrona.- Proceso de sincronizacin entre emisor y receptor se realiza en

cada palabra de cdigo transmitido. Esta sincronizacin se lleva a cabo a travs de unosbits especiales que definen el entorno de cada cdigo.Transferencia Sncrona.- Consiste en el envo de datos que configura un bloque deinformacin comenzando con un conjunto de bits de sincronismo y terminando con otroconjunto de bits de final de bloque.TTL.- Transistor-Transistor Logic; Es una tecnologa de construccin de circuitoselectrnicos digitales, los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistoresbipolares.

UUmbral.- Es la cantidad mnima de seal que ha de estar presente para ser registrada por

un sistema.

VV.- Abreviatura de voltaje o volts.VIN.- Voltaje de entrada.Voltaje.- Es una magnitud fsica que cuantifica la diferencia de potencial elctrico entredos puntos.VOUT.- Voltaje de salida.VSM.- Extensin de la aplicacin ISIS con la cual podremos simular todas las caractersticasde los microcontroladores, introduciendo nosotros mismos el programa que queramosque lleven a cabo.

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