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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD “Dr. RAFAEL BELLOSO CHACÍN”
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA
LECTOR PARA EL ANÁLISIS DE QUÍMICA SANGUÍNEA UTILIZANDO EL MICROCONTROLADOR PIC16F877.
CASO: CIENTÍFICA INDUSTRIAL DE VENEZUELA.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA
PRESENTADO POR: Br. FERRER VILLALOBOS, ISMER
ASESORADO POR:
TUTOR ACADÉMICO TUTOR METODOLÓGICO Ing. ANGEL VILLALOBOS MSc. MINEIRA FINOL DE FRANCO
TUTOR INDUSTRIAL
Ing. GILBERTO MARÍN.
MARACAIBO, FEBRERO DE 2001.
LECTOR PARA EL ANÁLISIS DE QUÍMICA SANGUÍNEA UTILIZANDO EL MICROCONTROLADOR PIC16F877.
CASO: CIENTÍFICA INDUSTRIAL DE VENEZUELA.
iii
DEDICATORIA
... A Dios
... A mis padres, Anita y Betulio
... A Mami Isbeth
... A Tia Ingrid
… A mis primos Viviana, Vanessa
y Wolfgang José
... A mis hermanos Ingerber
y Michelle
iv
AGRADECIMIENTOS
Ante todo, quiero agradecerle a DIOS, por darme la fuerza necesaria
para cumplir mis metas y por cuidarme y ayudarme a través de todos los que
en algún momento han estado a mi lado.
A mi madre, Ana de Villalobos y mi Padre, Betulio Villalobos, por
preocuparse por mi e inculcarme los valores morales que forman la base de
mi aprendizaje, y por su apoyo incondicional como amigos, consejeros y
guías en mis estudios y en todos los aspectos.
A Mami, Isbeth Villalobos y a Tía, Ingrid Villalobos, otras dos madres
que me han brindado su afecto y apoyo en todo momento.
A Tío Betulio por que el logro de sus metas han incentivado en mi, el
deseo de alcanzar un título universitario.
A mi prima Vanesa Carolina, por ayudarme a transcribir la tesis de
grado.
A mis primos, Viviana, Vanesa y Wolfgang José; y a mi hermano
Ingerber por que su amor hacia mi, guían mi voluntad para que lo primero
sea graduarme y con ello, ser parte de un estímulo que los motive a formarse
profesionalmente.
A Tío Irving y Tío Ibsen quienes aunque no me acompañan
físicamente, se que espiritualmente no me abandonan.
A mis amigos Yamexis Croes, Danny Cano, José Rodríguez y Minfer
Cano por su gran ayuda durante la etapa final de mi carrera.
v
A Papi, Mervi porque con sus acciones me motivó a seguir adelante y
no permitir que nada se interpusiera entre el Título Universitario y yo
A Julenys y Alejandro, mis compañeros desde el comienzo de la
carrera y hoy mis grandes amigos.
A la Familia Rodríguez Guevara quienes se han preocupado por mi
bienestar desde que me conocen.
A los Profs. Alvaro Delmar y José González Bracamonte, por sus
preocupaciones y ayudas como profesores y amigos durante mi carrera.
A la Prof. Mineira, a quien le doy las gracias por preocuparse, para
que la investigación se desarrollara de la mejor manera.
Al Prof. Angel Villalobos, por su colaboración en el proceso de esta
investigación.
Al Ing, Gilberto Marín por apoyarme, brindarme sus conocimientos y
darme la oportunidad de desplegar mi investigación en Científica Industrial
de Venezuela.
Al Sr. Alfonso Aguirre, gracias por su gran ayuda.
Al Sr. Gerardo García, al Sr. Manuel Güerere, al Ing. Fernando
Sánchez, al Ing. Kervi Sanz y al Ing. Ramón Anselmi por ayudarme durante
el período de investigación y brindarme sus conocimientos cuando fue
necesario.
A la Lic. Marta y la Lic. Lisbeth, por estar a la orden cuando necesite
su ayuda durante esta investigación.
vi
A Nilda, Verónica, Mariana, a la Lic. Liliana y la Sra. María, por
apoyarme y aconsejarme.
A todos mis compañeros de estudio y amigos por apoyarme a lo largo
de mi carrera.
A los profesores que me enseñaron lo que hoy pongo en práctica.
Y a todos los que de alguna manera favorecieron con sus acciones al
logro de este objetivo.
vii
Ferrer Villalobos, Ismer. LECTOR PARA EL ANÁLISIS DE QUÍMICA SANGUÍNEA UTILIZANDO EL MICROCONTROLADOR PIC16F877. CASO: CIENTÍFICA INDUSTRIAL DE VENEZUELA. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Maracaibo. 2001.
RESUMEN El propósito general de esta investigación se fundamenta en la elaboración de un Lector para el Análisis de Química Sanguínea, utilizando el Microcontrolador PIC16F877, para la empresa Científica Industrial de Venezuela, a fin de satisfacer las necesidades de los Laboratorios con menos recursos económicos, al desarrollar tecnología Venezolana. La investigación es de tipo Teórico – Práctico, Explicativa, de Campo y de carácter Factible, y se llevó a cabo utilizando la metodología planteada por Angulo (1996), la cual consta de nueve fases, abarcando desde el estudio preliminar hasta la culminación y pruebas finales de proyecto. La recopilación de información se realizó a través de Observación Documental, Observación Directa y Entrevistas no Estructuradas, lo que permitió conocer con certeza los requerimientos de los Laboratorios Clínicos a quienes está dirigida la investigación, y la manera más adecuada de darle solución a sus problemas. La realización del estudio tuvo una duración de 15 meses obteniendo como resultado un instrumento para Análisis Químico basado en técnicas de Espectrofotometría para todo el espectro de radiación visible, y el cálculo de Transmitancia y Absorbancia, programado además, para calcular la concentración de algunos Componentes Sanguíneos de acuerdo al tipo de reacción química que los caracteriza, identificando para ello los métodos de análisis para las reacciones de tipo punto final y enzimático, por ser estos los más solicitados en los laboratorios. Palabras Claves: Química Sanguínea, Microcontrolador, Análisis Químico Espectrofotometría, Transmitancia, Absorbancia, Componente Sanguíneo.
viii
Ferrer Villalobos, Ismer. DETECTOR FOR THE ANALYSIS OF SANGUINE CHEMISTRY, USING THE MICROCONTROLER PIC16F877. CASE: CIENTÍFICA INDUSTRIAL DE VENEZUELA. University Dr. Rafael Belloso Chacín. Faculty of Engineering. School of Electrónics. Maracaibo. 2001.
ABSTRACT The general purpose of this investigation was based on the elaboration of a Detector for the Analysis of Sanguine Chemistry, using the Microcontroler PIC16F877, for the Científica Industrial de Venezuela company, in order to satisfy the necessities of the Laboratories with less economic resources, when developing Venezuelan technology. The investigation type is Theoretical - Practical, Explanatory, of Field and of Feasible character, and it was carried out using the methodology outlined by Angulo (1996), which consists of nine phases, embracing from the preliminary study until the culmination and final tests of project. The summary of information was carried out through Documental Observation, Direct Observation and Interview not Structured, what allowed to know with certainty the requirements of the Clinical Laboratories to who the investigation, and the most appropriate way is directed of giving solution to its problems. The realization of the study had a duration of 15 months obtaining as a result an instrument for Chemical Analysis based in technical of Spectrophotometry for the whole spectrum of visible radiation, and the calculation of Transmittance and Absorbance, also programmed, to calculate the concentration of some Sanguine Components according to the type of chemical reaction that characterizes them, identifying for it the analysis methods for the reactions of type end point and enzymatic, to be these those more requested in the laboratories. Key Works: Sanguine Chemistry, Microcontroler, Chemical Analysis, Spectrophotometry, Transmittance, Absorbance, Sanguine Components.
ix
ÍNDICE GENERAL
Pág.
VEREDICTO........................................................................................... ii
DEDICATORIA....................................................................................... iii
AGRADECIMIENTOS............................................................................ iv
RESUMEN............................................................................................. vii
ABSTRACT............................................................................................ viii
ÍNDICE GENERAL................................................................................. ix
ÍNDICE DE TABLAS.............................................................................. xiv
ÍNDICE DE GRÁFICOS......................................................................... xv
INTRODUCCIÓN................................................................................... 1
CAPÍTULO
I. EL PROBLEMA................................................................................ 6
1.1. Planteamiento del Problema..................................................... 7
- Formulación del Problema.................................................... 11
1.2. Objetivos de la Investigación..................................................... 11
1.2.1. Objetivo General.............................................................. 11
1.2.2. Objetivos Específicos....................................................... 12
1.3. Justificación de la Investigación................................................ 12
1.4. Delimitación de la Investigación................................................ 14
II. MARCO TEÓRICO.......................................................................... 16
2.1. Antecedentes de la Investigación......................................... 17
2.2. Bases Teóricas..................................................................... 18
1. Métodos Analíticos para Química Clínica........................ 19
1.1. Química Electroanalítica....................................... 19
x
Pág.
• Conductimetría o Potenciometría.............................. 20
• Técnica de Ión Selectivo........................................... 20
• Polarografía............................................................... 21
• Mediciones Espectrofotométricas y
Fotométricas............................................................. 21
• Fluorometría.............................................................. 21
• Electroforesis............................................................ 22
2. Espectrometría y Espectrofotometría.............................. 23
2.1. Espectro Electromagnético................................... 24
2.2. Luz........................................................................ 26
• Reflexión y Refracción de la Luz.............................. 28
• Dispersión de la Luz................................................. 31
• Difracción de la Luz.................................................. 32
• Interferencia Óptica.................................................. 32
2.3. Técnicas Espectroscópicas.................................. 33
2.4. Instrumentación para Espectrofotometría de
Absorción de Radiación Visible............................ 36
A. Fuente de Radiación................................................ 37
B. Selectores de Longitud de Onda.............................. 39
C. Recipiente para la Muestra...................................... 41
D. Detector de Radiación.............................................. 42
E. Procesadores de Señales y Dispositivos de
Lectura………….……………………………………… 46
2.5. Diseño de Instrumentos………………….………... 47
• Instrumentos de un Solo Haz.................................... 47
• Instrumentos de Doble Haz....................................... 51
• Instrumentos Multicanal............................................ 52
• Tecnologías del Mercado.......................................... 53
xi
Pág.
3. Transmitancia y Absorbancia........................................... 59
• Transmitancia................................................................... 59
• Absorbancia..................................................................... 60
• Ley de Beer..................................................................... 61
4. Química Sanguínea......................................................... 62
• Método Punto Final (PF).................................................. 64
• Método Enzimático.......................................................... 66
5. Electrónica: Fundamentos y Aplicaciones de los
Dispositivos de estado Sólido.......................................... 68
5.1. Componentes Semiconductores........................... 68
5.2. Transductores Ópticos.......................................... 72
5.3. Amplificadores Operacionales............................... 73
5.4. Fundamentos de los Circuitos Digitales................ 74
• Compuertas Lógicas.................................................. 76
• Dispositivos Lógicos Secuenciales (Flip – Flops)...... 78
• Multiplexores y Demultiplexores................................ 81
• Codificadores y Decodificadores............................... 82
• Convertidores Analógicos / Digitales y
Digitales / Analógicos............................................... 84
5.5. Dispositivos de Memoria....................................... 86
• Clasificación de las Memorias.................................... 88
6. Microcontroladores y Sistemas Microcontrolados........... 90
6.1. Diferencias entre Microcontrolador y
Microprocesador................................................... 91
6.2. Arquitectura Interna de los Microcontroladores... 93
6.3. Microcontroladores PIC........................................ 98
6.4. Microcontrolador PIC16F877............................... 98
• Hoja Característica de los PIC16F877...................... 99
xii
Pág.
• Aspecto Externo del PIC16F877............................... 99
• Memoria de Programa.............................................. 100
• Memoria de Datos.................................................... 105
• Características Especiales....................................... 106
• Características del Repertorio de Instrucciones....... 111
2.3. Definición de Términos Básicos.......................................... 120
2.4. Sistema de Variables.......................................................... 120
- Definición Conceptual.................................................... 121
- Definición Operacional................................................... 119
III. MARCO METODOLÓGICO........................................................... 123
3.1. Tipo de Investigación.......................................................... 124
3.2. Metodología a Utilizar......................................................... 127
3.3. Técnicas y Herramientas de Recolección de Datos........... 130
3.4. Herramientas Materiales y Equipos.................................... 132
IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN..................................... 134
4.1. Resultados de la Investigación........................................... 135
• Fase 1. Definición de las Especificaciones................... 135
• Fase 2. Esquema General del Hardware...................... 137
• Fase 3. Ordinograma General....................................... 141
• Fase 4. Adaptación entre el Hardware y el
Software........................................................... 155
• Fase 5. Ordinogramas Modulares y Codificación de
programas........................................................ 158
• Fase 6. Implementación del Hardware.......................... 191
• Fase 7. Depuración del Software.................................. 192
• Fase 8. Integración de Hardware con el Software........ 192
xiii
Pág.
• Fase 9. Construcción del Prototipo Definitivo y
Pruebas Finales............................................... 193
• Discusión de los Resultados.......................................... 195
CONCLUSIONES................................................................................ 197
RECOMENDACIONES....................................................................... 201
ANEXOS.............................................................................................. 203
A. Anexo 1. Códigos Digitales....................................................... 204
B. Anexo 2. Especificaciones del Microcontrolador PIC16F877... 206
C. Anexo 3. Circuito Electrónico del Lector................................... 222
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................... 225
xiv
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
2.1. Regiones del Espectro Óptico........................................................ 26
2.2. Longitudes de Onda del Espectro Visible...................................... 27
2.3. Fuentes Continuas para Espectroscopia Óptica............................ 39
2.4. Resumen de Compuertas Lógicas Digitales.................................. 77
2.5. Tabla de Verdad de los Biestables J-K, T, D y R-S........................ 80
2.6. Hoja Característica del PIC16F877................................................ 100
2.7. Descripción de Pines del PIC16F877............................................. 101
2.8. Principales Características de las 35 instrucciones del
PIC16F877..................................................................................... 113
4.1. Código de Activación del Sistema de Multiplexación
del Microcontrolador Esclavo......................................................... 157
4.2. Orden Secuencial de Integración entre el Hardware y el
Software......................................................................................... 164
4.3. Estudio Comparativo entre los Resultados Obtenidos en las
Mediciones y los Resultados Esperados....................................... 165
xv
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Pág.
2.1. Luz Transmitida a través de una Sustancia.................................. 23
2.2. Porción de una Onda electromagnética........................................ 24
2.3. Espectro Visible............................................................................. 27
2.4. Leyes Fundamentales de la Reflexión.......................................... 29
2.5. Leyes Fundamentales de la Refracción........................................ 30
2.6. Dispersión de la Luz por un Prisma............................................... 31
2.7. Dos trenes de onda desfasados entre sí....................................... 33
2.8. Módulos Instrumentales para medir la Absorción de Radiación... 37
2.9. Anchura de Banda efectiva para dos tipos de Filtros.................... 41
2.10. Ejemplos de Celdas más comunes………………………………… 42
2.11. Configuración de un Fotodiodo de unión P – N y difusión plana.. 45
2.12. Espectrofotómetro de un Haz simplificado.................................... 49
2.13. Sistema Óptico de un Instrumento de Doble Haz......................... 51
2.14. Espectrómetro Multicanal de Serie de Diodos.............................. 53
2.15. SD2000, Analizador Químico........................................................ 54
2.16. Módulo Óptico del SD2000........................................................... 55
2.17. Ensamblaje del Módulo Óptico de los Autoanalizadores de la
Serie Express................................................................................ 56
2.18. Espectrofotómetro Spectronic 20.................................................. 57
2.19. Representación de la Transmitancia de una Solución.................. 60
2.20. Reacción Punto Final de una Sustancia....................................... 65
2.21. Cambios de Absorbancia en una Reacción Enzimática............... 67
2.22. Diodo Semiconductor.................................................................... 70
2.23. Símbolos y Terminales del Transistor NPN y PNP....................... 71
2.24. Símbolo de un Amplificador Operacional...................................... 74
2.25. Ejemplo de una Señal Analógica.................................................. 75
xvi
Pág.
2.26. Ejemplo de una Señal Digital........................................................ 75
2.27. Esquema Básico de un Multiplexor............................................... 81
2.28. Demultiplexor de 4 Vías................................................................ 82
2.29. Codificador de M a N líneas.......................................................... 83
2.30. Decodificador de N a M líneas...................................................... 84
2.31. a)Convertidor A/D genérico........................................................... 85
2.32. b)Convertidor D/A genérico........................................................... 86
2.33. Diagrama Lógico de una Memoria................................................ 88
2.34. Diagrama General de un Sistema Microcontrolado..................... 91
2.35. Arquitectura von Neumann........................................................... 94
2.36. Arquitectura Harvard..................................................................... 94
2.37. Diagrama del Conexionado del PIC16F877................................. 101
2.38. Mapa de la Memoria de Programa del Microcontrolador
PIC16F877................................................................................... 99
2.39. Registro de la Memoria de Dato del PIC16F877.......................... 101
4.1. Diagrama de Bloques Funcionales.............................................. 137
4.2. Flujograma de Proceso................................................................ 145
1
INTRODUCCIÓN
El término Ingeniería es atribuido a la profesión en la cual el
conocimiento de las matemáticas y la física, alcanzado con estudio,
experiencia y práctica, se aplica a la utilización eficaz de los materiales y las
fuerzas de la naturaleza, y se llama Ingeniero a la persona que ha recibido
preparación profesional en ciencias puras y aplicadas.
Los avances técnicos del siglo XIX ampliaron en gran medida el
campo de la Ingeniería e introdujeron un gran número de especializaciones.
Las demandas del entorno socioeconómico del siglo XX incrementaron aún
más su campo de acción; y se ha producido una gran diferenciación de
disciplinas, con distinción de múltiples ramas en ámbitos tales como la
aeronáutica, la química, las telecomunicaciones, la electrónica, la ingeniería
industrial, la informática, entre otros.
La Ingeniería Electrónica se basa en el diseño, integración y aplicación
de circuitos y dispositivos usados en la transmisión y procesamiento de
información, la cual es generada, transmitida, recibida y almacenada
mediante sistemas electrónicos, utilizados cada día con mayor frecuencia.
Los trabajos realizados en esta rama de la ingeniería han generado cambios
2
revolucionarios en el campo de las comunicaciones y los sistemas de control,
como es el reemplazo de algunos sistemas analógicos por sistemas digitales.
Así mismo, los procedimientos de diseño y principios de ingeniería
electrónica se han incorporado a la resolución de problemas médicos y
bioquímicos, en donde se han adoptado para solventar las deficiencias en las
actividades que ameritan mayor precisión.
Con la aplicación de la electrónica en el campo médico y bioquímico
es posible simplificar el trabajo de quienes se dedican a las ciencias de la
salud, ofreciéndoles mayor productividad y rendimiento. Por tal motivo esta
investigación está guiada al desarrollo de un instrumento de lectura para el
análisis de química sanguínea con la aplicación de Microcontroladores y
otros dispositivos electrónicos, de tal forma que la utilización de dicho
instrumento represente resultados fiables, con un método sencillo de
operación, en un sistema con la capacidad de medir los componentes
químicos de la sangre.
El ingeniero que desarrolla su actividad en una de las ramas o
especializaciones de la ingeniería ha de tener conocimientos básicos de
otras áreas afines, ya que muchos problemas presentados en este campo
son complejos y están interrelacionados. Por ejemplo, si un ingeniero
3
químico tiene que diseñar una planta para el refinamiento electrolítico, debe
enfrentarse al diseño de estructuras, maquinarias y dispositivos eléctricos
además de los problemas estrictamente químicos.
Tal como en el ejemplo anterior, para realizar esta investigación se
hizo necesario integrar aspectos importantes de la electrónica y la física, sin
menospreciar la informática y la química como ramas principales de estudio,
permitiendo unir los elementos del sistema en una unidad funcional.
A partir de esto, la investigación fue formulada en base a información
bibliográfica y práctica recopilada durante los estudios preliminares y el
desarrollo de este proyecto, el cual se plantea en cuatro capítulos,
conformados como sigue.
Inicialmente, se describe El Problema, a través de la presentación de
todos los aspectos concernientes al mismo, esto es, su Planteamiento y
Formulación, de igual manera, se indican en esta sección el Objetivo General
y los Objetivos Específicos que persigue la investigación, los aspectos que
justifican su realización y la delimitación en área, tiempo y espacio de la
misma.
4
El segundo capítulo, titulado Marco Teórico, contiene, tal como su
nombre lo indica, los fundamentos teóricos que ayudarán al lector a
comprender con mayor certeza el estudio en cuestión, igualmente incluye los
aspectos relevantes acerca de investigaciones realizadas anteriormente
sobre el tema, en comparación con la presente, la definición de términos
utilizados durante esta obra, considerados poco comunes para el ámbito
diario, y la definición Conceptual y Operacional de las variables de estudio.
La siguiente fase o Marco Metodológico abarca por un lado los
tópicos relacionados con el proceso de investigación en sí, estos son: el tipo
de investigación, expuesto de acuerdo a cada uno de los criterios
considerados durante el estudio, la metodología aplicada para el desarrollo
del proyecto tomada de los planteamientos de un autor específico, sobre los
pasos a seguir para trabajar con microcontroladores, y las técnicas e
instrumentos aplicados para la recolección de información; por otra parte se
presenta una lista de los materiales y equipos necesarios para la elaboración
de este proyecto.
Los Resultados de la Investigación se reúnen en el cuarto y último
capítulo, expuestos en concordancia con la metodología de trabajo descrita
en la etapa anterior. Al final se formula la Discusión de Resultados, donde se
confrontan estos con las bases teóricas del Capítulo II.
5
Se mencionan así mismo, las conclusiones de la Investigación en
función de los objetivos planteados y en base a éstas, las recomendaciones
presentadas a la Empresa que propuso este proyecto, con las cuales se
pudiera mejorar el resultado obtenido, en futuras investigaciones.
Finalmente se agregan tablas e ilustraciones que facilitan el
entendimiento de ciertos aspectos, en los cuales se haya hecho mención a
los anexos, además se listaron los datos bibliográficos de las fuentes
consultadas durante el período de investigación y a las cuales se hace
referencia.
