Control digital de apertura y temperatura de una ducha eléctrica (página 2)
Enviado por Mario Ortega
Para realizar el cálculo de la resistencia que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, se utiliza la siguiente fórmula:
De donde:
R = Resistencia del material (?).
= Coeficiente de resistividad o resistencia específica del material en h mm , a una
m
temperatura dada.
l = Longitud del material en metros.
s = Superficie o área transversal del material en mm2.
Como influye la temperatura en la resistencia del conductor.
La temperatura influye directamente en la resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica. A mayor temperatura la resistencia se incrementa, mientras que a menor temperatura disminuye.
Sin embargo, teóricamente toda la resistencia que ofrecen los metales al paso de la corriente eléctrica debe desaparecer a una temperatura de 0° K (cero grado Kelvin), o "cero absoluto", equivalente a – 273,16º C (grados Celsius), o – 459,69º F (grados Fahrenheit), punto del termómetro donde se supone aparece la superconductividad o "resistencia cero" en los materiales conductores.
En el caso de los metales la resistencia es directamente proporcional a la temperatura, es decir si la temperatura aumenta la resistencia también aumenta y viceversa, si la temperatura disminuye la resistencia también disminuye; sin embargo, si hablamos de elementos semiconductores, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), por ejemplo, ocurre todo lo contrario, pues en esos elementos la resistencia y la temperatura se comportan de forma inversamente proporcional, es decir, si una sube la otra baja su valor y viceversa.
Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor según la ley de Joule. También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de corriente que la atraviesa y la tensión medible entre sus extremos, relación conocida como ley de Ohm.
Ilustración 3 Electrones dentro de un conductor
A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia.
B.- Electrones fluyendo por un mal conductor eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia, generan calor.
Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.
En general, una resistencia real podrá tener diferente comportamiento en función del tipo de corriente que circule por ella.
Una resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prácticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energía eléctrica en calor.
La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye.
Como ya se comentó, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.
Una resistencia disipa en calor una cantidad de potencia proporcional a la intensidad que la atraviesa y a la caída de tensión que aparece en sus bornes. Esto es P=V*I, aunque suele ser más cómodo usar la ley de Joule.
Observando las dimensiones del cuerpo de la resistencia, las características de conductividad de calor del material que la forma y que la recubre, y el ambiente en el cual está pensado que opere, el fabricante calcula la potencia que es capaz de disipar cada resistencia como componente discreto, sin que el aumento de temperatura provoque su destrucción. Esta temperatura de fallo puede ser muy distinta según los materiales que se estén usando. Esto es, una resistencia de 2W formada por un material que no soporte mucha temperatura, estará casi fría (y será grande); pero formada por un material metálico, con recubrimiento cerámico, podría alcanzar altas temperaturas (y podrá ser mucho más pequeña).
El fabricante dará como dato el valor en vatios que puede disipar cada resistencia en cuestión. Este valor puede estar escrito en el cuerpo del componente o se tiene que deducir de comparar su tamaño con los tamaños estándar y sus respectivas potencias. El tamaño de las resistencias comunes, cuerpo cilíndrico con 2 terminales, que aparecen en los aparatos eléctricos domésticos suelen ser de 1/4 W, existiendo otros valores de potencias de comerciales de 1/2 W, 1 W, 2 W, etc.
Entre los metales que ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente eléctrica se encuentra el alambre nicromo (Ni-Cr), compuesto por una aleación de 80% de níquel (Ni) y 20% de cromo (Cr). Ese es un tipo de alambre ampliamente utilizado como resistencia fija o como resistencia variable (reóstato), para regular la tensión o voltaje en diferentes dispositivos eléctricos. Además se utilizan también resistencias fijas de alambre nicromo de diferentes diámetros o grosores, para producir calor en equipos industriales, así como en electrodomésticos de uso muy generalizado.
Entre esos aparatos o quipos se encuentran las planchas, los calentadores o estufas eléctricas utilizadas para calentar el ambiente de las habitaciones en invierno, los calentadores de agua, las secadoras de ropa, las secadoras para el pelo y la mayoría de los aparatos eléctricos cuya función principal es generar calor.
Efecto Joule
Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto
Joule en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en la década de 1860.
Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.
Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como
Donde:
Q = energía calorífica producida por la corriente
I = intensidad de la corriente que circula y se mide en amperios R = resistencia eléctrica del conductor y se mide en ohmios
t = tiempo el cual se mide en segundos
La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en energía calorífica, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).
Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional a la intensidad de corriente a la diferencia de potencial y al tiempo.
En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.
Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.
Aplicaciones del efecto Joule
Todos los dispositivos eléctricos que se utilizan para calentamiento se basan en el efecto Joule, es decir, estos aparato consisten esencialmente en una resistencia que se calienta al ser recorrida por la corriente.
Las lámparas de incandescencia (o de filamento incandescentes), como la lámpara de tungsteno, conocida comúnmente como bombilla de luz, también constituyen una aplicación del efecto Joule. Sus filamentos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de fusión es muy elevado, al ser recorridos por una corriente eléctrica, se calientan y pueden alcanzar altas temperaturas (casi 2500º C), volviéndose incandescentes y emitiendo una gran cantidad de luz.
Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en la construcción de fusibles, elementos que se emplean para limitar la corriente que pasa por un circuito eléctrico; por ejemplo, en un automóvil, una casa, un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos están constituidos por una tirilla metálica, generalmente de plomo, el cual tiene un punto de fusión bajo; de esta manera, cuando la corriente que pasa por el fusible sobrepasa cierto valor (el amperaje propio de cada fusible), el calor generado por el efecto Joule produce la fusión del elemento, interrumpiendo así el paso de corriente excesiva. Por ejemplo, en una casa a medida que se van conectando a la red eléctrica varios aparatos, la corriente que "entra" a la casa a través del fusible, se va volviendo cada vez mayor. Si no existiera el fusible y el número de aparatos conectados fuera muy grande, la corriente que circularía en la instalación podría llegar a ser muy intensa. Esto produciría un calentamiento indeseable, e
incluso peligroso, de los conductores. El fusible impide que esto suceda, porque al fundirse, interrumpe el paso de la corriente cuando alcanza un valor mayor que el límite superior de seguridad.
En la actualidad, además de los fusibles se emplean en las casas los llamados interruptores termo magnéticos (automáticos). En estos últimos elementos, el calentamiento de un dispositivo bimetálico produce su dilatación, haciendo que el circuito se abra.
El fusible y el interruptor automático también protegen a un circuito eléctrico cuando ocurre un "cortocircuito". Este fenómeno se produce cuando por un motivo cualquiera, la resistencia conectada de un circuito se vuelve muy pequeña, haciendo que la corriente alcance un valor muy intenso, lo cual hace que el fusible o interruptor abra el circuito, impidiendo que se produzcan efectos perjudiciales.
Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas aplicaciones beneficiosas, en los que se requiere el calor que desprende un conductor por el paso de la corriente a través de él. Sin embargo, en muchas otras aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos requieran de un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.
Resistencia Calentadora.
Las resistencias calentadoras convierten energía eléctrica en calor. Procedimiento descubierto por James Prescott Joule cuando en 1841 al hacer circular corriente eléctrica a través de un conductor se liberó calor por encontrar resistencia.
En la actualidad las resistencias calentadores se utilizan para infinidad de aplicaciones. La gran mayoría de ellas son fabricadas con un alambre de una aleación de níquel (80%) y cromo (20%). Esta aleación soporta temperaturas muy altas (1000º C), es resistivo (condición necesaria para generar calor), es muy resistente a los impactos y es inoxidable.
Como las usadas en cocinas eléctricas, calentadores de agua, hornos eléctricos o cafeteras. Aquí el alambre de níquel-cromo se cubre con cerámica y después se enchaqueta con cobre cromado o con Incoloy (níquel 45%, cromo 30%, hierro 22%, cobre 3%). La selección de la chaqueta depende del uso, el Incoloy es más resistente al óxido a temperaturas de 800º C, mientras que las enchaquetadas en cobre son generalmente para calentamiento de líquidos por inmersión.
Resistencias Calentadoras Comerciales.
Alambre de níquel-cromo
Se trata del fino alambre desnudo (sin ningún recubrimiento) como el usado en secadores de cabello o tostadoras de pan.
Resistencias Selladas
Resistencia calentadora chaqueta de cobre cromado para inmersión. Como las usadas en cocinas eléctricas, calentadores de agua, hornos eléctricos o cafeteras. Aquí el alambre de níquel-cromo se cubre con cerámica y después se enchaqueta con cobre cromado o con Incoloy (níquel 45%, cromo 30%, hierro 22%, cobre 3%). La selección de la chaqueta depende del uso, el Incoloy es más resistente al óxido a temperaturas de 800º C, mientras que las enchaquetadas en cobre son generalmente para calentamiento de líquidos por inmersión.
Lámparas de calor
Son lámparas diseñadas para generar calor y no luz. Su filamento incandescente se mantiene a baja temperatura y si se evita producir luz dentro del espectro visible.
Resistencias cerámicas
Son resistencias de coeficiente resistivo térmico positivo. La mayoría de las cerámicas tienen coeficiente resistivo negativo, mientras que los metales lo tienen positivo.
Los metales aumentan un poco su resistencia al aumentar el calor, pero este tipo de cerámicas no tienen una respuesta resistiva lineal al calor. Cuando esta resistencia pasa su umbral de temperatura pierde conductividad. Como resultado, son resistencias y a la vez termostatos, ya que permiten pasar corriente cuándo están fríos pero dejan de conducir corriente al calentarse. Estas resistencias están hechas de titanato de bario o titanato de plomo (BaTiO3 o PbTiO3).
Entre los usos de estos materiales están las delgadas capas de película de los vidrios traseros de los automóviles que desempañan la condensación.
Otros materiales
Existen muchos otros materiales exóticos empleados para hacer resistencias calentadoras: platino, disiliciuro de molibdeno y el carburo de silicio. El carburo de silicio tiene un punto de fusión de 2730° C, lo usan los calentadores de gas para detectar la llama.
Ilustración 4 Resistencia Calentadora
Capitulo ii. Elementos para el control de temperatura
Esquema general del control de temperatura
Ilustración 5 Elementos del Controlador de Voltaje
- Termistor
Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermal Sensitive Resistor (Resistor sensible a la temperatura). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.
Principios Básicos de Operación del Termistor
Resistencia sensible a la temperatura
Semiconductor elaborado a base de óxidos de metales.
Se fabrican Termistores con coeficientes positivos y negativos de temperatura.
Valores de resistencia de 2252 W a 10000 W a 25 0C.
Tienen un alcance hasta 300 0C. Características del Termistor
Son muy exactos.
Son estables.
Alta resistencia y sensibilidad.
Estandarización entre vendedores.
Requieren de alimentación.
Presentan auto calentamiento.
Microcontroladores
Introducción
Diferencia entre microprocesador y microcontrolador.
Partes principales de un microcontrolador.
Comunicación por puerto Paralelo.
Comunicación por puerto Serial.
Diversas puertas de comunicación.
Temporizadores o "Timers".
Perro guardián o "Watchdog".
Protección ante fallo de alimentación o "Brownout".
Estado de reposo o de bajo consumo.
Conversor A/D.
Conversor D/A.
Comparador analógico.
Modulador de anchura de impulsos o PWM.
Puertas de E/S digitales.
Puertas de comunicación.
UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.
USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona
USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado.
Familia Pic"s 16F87X
Conversor Analógico/Digital de 10 bits
Set de 35 instrucciones
3 Temporizadores + Watchdog Timer o Perro Guardián
2 módulos PWM
Protocolos de Comunicaciones USART, PSP
Distribución de Terminales
Consideraciones generales
Circuitería Externa Mínima
El Reloj
La alimentación
VDD es la tensión suministrada por la fuente de alimentación.
IOH es la corriente suministrada por las salidas del PIC en estado alto.
IOL es la corriente absorbida por las salidas del PIC en estado bajo.
VOH es la tensión entregada por los terminales en estado alto.
VOL es la tensión presente en los terminales en estado bajo.
Circuito de Reset Externo
Pantallas LCD
LCD 2×16
Características principales
Pantalla de caracteres ASCII, además de los caracteres Kanji y Griegos.
Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o la derecha.
Proporciona la dirección de la posición absoluta o relativa del carácter.
Memoria de 40 caracteres por línea de pantalla.
Movimiento del cursor y cambio de su aspecto.
Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres.
Conexión a un procesador usando un interfaz de 4 u 8 bits
Funcionamiento
Principales características del sistema PROTEUS.
Entorno de diseño gráfico de esquemas electrónicos (ISIS) extremadamente fácil de utilizar y dotado de poderosas herramientas para facilitar el trabajo del diseñador.
Entorno de simulación prospice mixto entre el estándar SPICE3F5 y la tecnología exclusiva de Proteus de Modelación de Sistemas Virtuales (VSM)
Entorno de diseño de placas de circuito impreso (ARES) de ultra-altas prestaciones con bases de datos de 32 bits, posicionador automático de elementos y generación automática de pistas con tecnologías de autocorte y regeneración.
Moderno y atractivo interface de usuario estandarizado a lo largo de todas las herramientas que componen el entorno PROTEUS.
La mayor parte de los módulos que componen PROTEUS han sido escritos por el mismo equipo, garantizando al máximo nivel posible la compatibilidad e inter-operatividad de todas las herramientas que componen el entorno PROTEUS, asegurando su estabilidad al máximo.
Ejecutable en los diferentes entornos Windows: 98, Me, 2000, XP.
Herramienta de máximas prestaciones, basadas en los más de 15 años de continuo desarrollo y presencia en el mercado.
Miles de instalaciones vendidas en más de 35 países a todo lo largo del mundo.
WinPic800
Multimetro en función de Óhmetro.
Termómetro de mercurio.
Recipiente contenedor para el agua en calentamiento.
El NTC previamente aislado.
Circuito ADC.
NTC previamente aislado
Termómetro digital.
y la columna 4 Lcd_Out(2,1,"Temp:") ' Escribe el mensaje en la fila 2
y la columna 1 Lcd_Cmd(Lcd_Cursor_Off) ' Apaga el cursor
Disparador del TRIAC
Resultados de Simulación en Proteus
Angulo de Disparo
Circuito y Software incorporado Angulo de disparo y termómetro digital.
Elaboración del Circuito Impreso (PCB)
El manejar altos niveles de corriente, debido a la potencia de la niquelina, requiere medidas especiales para el control de la corriente. Tales como usar conductores de grueso calibre y disipadores de calor.
Para el correcto funcionamiento de la NTC es necesario que sus terminales estén eléctricamente aislados. Para que al introducirlos en el agua la NTC no varié sus valores resistivos.
La realización de un termómetro digital preciso requiere de un amplio conocimiento sobre sensores de temperatura, sus valores, sus errores, sus ventajas y desventajas. Ya que de la constante de transformación dependerá la efectividad de este circuito.
Para el detector de cruces por cero es necesario que la señal analogía de entrada se a menor a 9VAC, ya que el puerto o el PIC podrían sufrir averías.
El caudal de entrada de agua a la ducha es inversamente proporcional a la temperatura de salida de esta. Por tanto se requiere, para el correcto y preciso funcionamiento del sistema, que el flujo sea previamente regulado. Y con esto lograremos un rango de control mas optimo.
El agua al tener la propiedad de conducir a corriente eléctrica, dificulta mucho el trabajo ya que al manejar corrientes altas debido a la potencia de la niquelina estamos propensos a descargas eléctricas al nosotros hacer contacto con el agua.
Calcular precisamente los calibres de los conductores y todos los elementos donde circularan altas corrientes.
Para la elaboración de la placa(PCB), se debe tener en cuenta los componentes existentes en el mercados, y las dimensiones de los mismos.
Comprobar las propiedades del microcontrolador antes de implementar el programa.
En el control de voltaje en la niquelina colocar un TRIAC que soporte la corriente a manejar, para evitar posibles fallas en el sistema.
Utilizar métodos de disipación de calor en los TRIAC"s, ya que por estos circulan altas corrientes que producen calor, que podría dañar el sistema.
Verificar los Datasheets del microcontrolador a utilizar, para poder aprovechar de mejor manera todos sus parámetros externos e internos.
Aislar todos los elementos eléctricos que estén expuestos al contacto con el agua.
Al existir diferentes tipos de conexión del LCD y el microcontrolador, comprobar que la conexión física sea la misma que la programada.
Electrónica de Potencia, Colegio Técnico Salesiano, José Eduardo Trelles
Electrónica Digital y Micro procesada, Colegio Técnico Salesiano, José Eduardo Trelles
es.wikipedia.org/wiki/Triac
es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador PIC
es.wikipedia.org/wiki/LCD
www.datasheetcatalog.net/es/catalogo/p491440
es.wikipedia.org/wiki/Termistor
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es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_eléctrica
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www.ufps.edu.co/materias/ucontrol/htdocs/pdf/pulsos.pdf
www.electronicafacil.net/foros/PNphpBB2-viewtopic-t-3289.html
2.1.1 Termistor NTC
Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.
Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. Los termistores son muy sensibles a la temperatura y de muy de alta resistencia de ahí su relación de resistencia vs. Temperatura. Se utilizan en muchos otros dispositivos de detección y corrección de temperatura, así como dispositivos especiales en las sondas de temperatura para el comercio, la ciencia y la industria.
Los termistores trabajan generalmente en un rango de temperatura relativamente pequeña, en comparación con otros sensores de temperatura, y pueden ser muy exactos y precisos dentro de ese rango.
Ilustración 6 medidas estandarizadas de los NTC
Ilustración 7 Apariencia externa de los NTC
La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sino exponencial (no cumple la ley de Ohm). Dicha relación cumple con la fórmula siguiente:
Donde:
A y B son constantes que dependen del resistor. La curva nos muestra esa variación
Ilustración 8 curva de relación entre resistencia y temperatura en el NTC
La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la
característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.
Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.
2.1.2 Termistor PTC
Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura.
Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.
El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.
Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.
Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.
Desde la invención del circuito integrado, el desarrollo constante de la electrónica digital ha dado lugar a dispositivos cada vez más complejos. Entre ellos los microprocesadores y los microcontroladores.
Los microcontroladores están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar.
Una de las principales ventajas de los microcontroladores y microprocesadores al ser sistemas programables es su flexibilidad, lo que permite actualizar el funcionamiento de un sistema tan sólo mediante el cambio del programa sin tener que volver a diseñar el hardware. Esta flexibilidad es muy importante, al permitir que los productos se actualicen con facilidad y economía.
Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente.
En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón (chip) de un circuito integrado.
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.
Ilustración 9 Apariencia física de un Microcontrolador
El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta.
Los pines de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine.
Ilustración 10 Diferencia entre un microprocesador y un microcontrolador
Procesador._ También conocido como CPU es el encargado de coordinar la operación de todo el computador, es decir ejecución de los programas, almacenamiento de información temporal y la comunicación con los dispositivos de entrada y salida.
Memoria ROM. Se graba el chip durante su fabricación, implica costos altos y de recomienda solo cuando se produce en serie.
Memoria EPROM. Se graba con un dispositivo que es gobernado mediante un computador personal, que recibe el nombre de grabador, y es reprogramable, se borra con luz ultra violeta (poco a poco entran en desuso)
Memoria OTP. Se graba por el usuario igual que la memoria EPROM, pero con la diferencia que la OTP se puede grabar una sola vez.
Memoria EEPROM. La grabación es similar a la de las memorias EPROM y OTP, la diferencia radica en que el borrado se efectúa de la misma forma que el grabado, es decir eléctricamente.
Memoria FLASH. Posee las mismas características que la EEPROM, pero esta tiene menor consumo de energía y mayor capacidad de almacenamiento.
Memoria de lectura y escritura para guardar datos._ Algunos micro controladores manejan la memoria RAM estática (SRAM), otros disponen de una memoria de datos tipo EEPROM, de esta forma, un corte en el suministro de alimentación no ocasiona a perdida de la información y por ende, está disponible al reiniciarse el programa.
Líneas de E/S para controladores de periféricos:
Temporizadores (Timers). Se emplean para controlar periodos de tiempo y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores).
Para la medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso.
Perro guardián (Watchdog). El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema.
Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o inicialice al Perro guardián antes de que provoque el reset. Si falla el programa o se bloquea, no se refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, provocara el reset.
Protección ante fallo de alimentación (Brownout). Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo (brownout). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.
Estado de reposo ó de bajo consumo. Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los micro controladores disponen de una instrucción especial (SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos asociados, quedando sumido en un estado de reposo. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.
Conversor A/D (CAD). Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en sus aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde los pines del circuito integrado.
Conversor D/A (CDA). Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su correspondiente señal analógica que saca al exterior por uno de los pines del integrado.
Comparador analógico. Algunos modelos de micro controladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por uno de los pines del integrado. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.
Modulador de anchura de impulsos (PWM). Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de los pines del integrado.
Puertos de E/S digitales. Todos los microcontroladores destinan algunos de sus pines a soportar líneas de E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos.
Las líneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración.
Puertos de comunicación. Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos. Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:
Los PIC16F87X son una familia de microcontroladores PIC, que es la versión mejorada del PIC16F84. Consta de los siguientes modelos que varían de acuerdo a prestaciones, cantidad de terminales y encapsulados.
· PIC 16F871
· PIC16F873
· PIC16F874
· PIC16F876
· PIC16F877
Esta familia es de las que poseen memoria tipo Flash, lo que nos permite reprogramarlos las veces que sea necesario sin necesidad de usar ningún otro dispositivo más que el propio programador. Este aspecto es muy importante a la hora del diseño de un dispositivo para evitar pérdida de tiempo en borrar los microcontroladores y volver a programarlos.
Características Principales:
Las características principales que hacen de esta familia un poco más potente que otras son:
En las Figuras a continuación se ven los distintos encapsulados en que vienen los diferentes modelos pertenecientes a esta familia. Cada uno de esos pines o terminales tienen más de un uso dependiendo de como se los configure excepto los terminales VDD y VSS que son los encargados de alimentar a estos microcontroladores.
Ilustración 11 PIC16F576A/873A
Ilustración 12 PIC16F873A/876A
Ilustración 13 PIC16F87A7/874A
Ilustración 14 PIC16F877A/874A
Ilustración 15 PIC 16F877A/874A
El set de instrucciones de estos microcontroladores es reducido, con lo que facilita la programación de los mismos. Para la familia de los 16F87X existen 35 instrucciones, con las que se puede hacer lo mismo o más que con esos antiguos microprocesadores de 105 instrucciones. Para la programación de estos dispositivos se pueden elegir varios lenguajes, por ejemplo ensamblador, C, Basic, etc.
Los microcontroladores tienen un espacio de memoria que varía según las familias y según el modelo dentro de cada familia. Es allí donde se guarda el programa que creamos. Dado que el microcontrolador solo interpreta lenguaje de máquina, es decir, estados lógicos de 1 ó 0, sería por demás de complicado programar con este lenguaje; es por eso que existe un compilador, que transforma el ensamblador que escribimos en lenguaje "entendible" por el microcontrolador.
Una vez compilado el programa escrito, tenemos el archivo hexadecimal con el cual se programa al microcontrolador, para esto es necesario una interfaz programadora capaz de entender los datos hexadecimales que la computadora (PC) entrega y pasarlos al microcontrolador.
Para crear el ensamblador es necesario ya tener pensado y diagramado lo que necesitemos que haga el microcontrolador ; para esto usaremos bosquejos de circuitos, diagramas de flujo, pseudo-código, modelos matemáticos, y toda clase de observaciones relevantes para el correcto funcionamiento y desempeño del microcontrolador. Una vez diagramada la función del microcontrolador, solo nos resta diseñar el circuito externo con todos los detalles y escribir el programa.
El circuito externo necesario para que el microcontrolador sea capaz de leer el programa grabado en él, solo necesita dos aspectos fundamentales: el reloj y la alimentación, lo demás se coloca a medida que necesitemos entradas y/o salidas adecuando cada una de ellas con circuitería externa.
El reloj se usa para darle una base de tiempo al microcontrolador, se puede usar una resistencia y un condensador o algo más confiable como un cristal de cuarzo piezoeléctrico (algunos modelos de microcontroladores tienen relojes internos incorporados, pero son de otras familias). Usando cristales podemos estar seguros de la frecuencia de oscilación del microcontrolador, lo cual es útil para calcular tiempos de ejecuciones de las instrucciones, temporizaciones precisas, etc.
Todos los PIC de la familia 16F87X tienen dos terminales llamados OSC1 y OSC2, en ellos van conectados los terminales del cristal; a su vez, se conectan dos capacitores entre masa y estos terminales, para completar el circuito de oscilación.
En cuanto a la alimentación, esta no debe superar los 5 V ± 5% y se debe tener en cuenta que existe un terminal llamado MCLR (master-clear o reset), que debe estar con valor lógico 1 para que el microcontrolador pueda leer el programa.
Con estas consideraciones de la circuitería externa indispensable estamos en condiciones de ya, por lo menos, asegurarnos que el &µC ejecutará el programa que grabamos en él.
Los PIC 16F87X disponen de un ciclo de instrucción igual a cuatro ciclos del reloj principal, es decir que si tenemos un programa de 1000 instrucciones y un cristal de 10 MHz. El tiempo que le demandará al microcontrolador leer y ejecutar todo el programa (asumiendo que todas las instrucciones tardan un ciclo de instrucción) es de 400 &µs, pues:.
Dependiendo del modelo específico del microcontrolador, se tiene una frecuencia máxima de trabajo. En la familia 16F87X la máxima frecuencia del reloj externo es de 20 MHz. es decir que el tiempo mínimo necesario para leer y ejecutar cada instrucción es de 200 ns.
Un ciclo de instrucción equivale a 4 ciclos de reloj. Esto es porque con el primer ciclo de reloj el microcontrolador busca en su memoria a la instrucción a leer, en el segundo ciclo se carga en la memoria principal, el tercer ciclo es el encargado de ejecutarla propiamente dicho y el ultimo y cuarto ciclo limpia la memoria para volver a buscar la siguiente instrucción y así sucesivamente.
Los microcontroladores de la familia 16F87X se alimentan con 5 VCC pero con 3,5 Voltios también funcionan consumiendo un poco más de corriente. La corriente máxima que puede circular por el terminal VDD (donde se conecta el positivo de la fuente de 5 V) es de 250 mA y por cada salida no se debe hacer circular más de 25 mA.
Dado que la capacidad de entregar corriente del microcontrolador es bastante reducida, se suelen usar transistores o relés para comandar circuitos o artefactos de potencia. La potencia que puede disipar como máximo el microcontrolador es de 1W y se calcula mediante la siguiente formula:
Donde:
Los microcontroladores tienen un terminal llamado MCLR o master-clear el cual debe estar en "1" lógico para que se lean y ejecuten las instrucciones. En esta parte describiremos como resetear a los microcontroladores, es decir hacer que empiece a leer el programa grabado en ellos desde el principio.
Una pantalla de cristal líquido o LCD (acrónimo del inglés Liquid Crystal Display) es una pantalla delgada y plana formada por un número de píxeles en color o monocromos colocados delante de una fuente de luz o reflectora. A menudo se utiliza en dispositivos electrónicos de pilas, ya que utiliza cantidades muy pequeñas de energía eléctrica.
Cada píxel de un LCD típicamente consiste de una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes, y dos filtros de polarización, los ejes de transmisión de cada uno que están (en la mayoría de los casos) perpendiculares entre sí. Sin cristal líquido entre el filtro polarizante, la luz que pasa por el primer filtro sería bloqueada por el segundo polarizador.
La superficie de los electrodos que están en contacto con los materiales de cristal líquido es tratada a fin de ajustar las moléculas de cristal líquido en una dirección en particular.
Antes de la aplicación de un campo eléctrico, la orientación de las moléculas de cristal líquido está determinada por la adaptación a las superficies. En un dispositivo twisted nematic, TN (uno de los dispositivos más comunes entre los de cristal líquido), las direcciones de alineación de la superficie de los dos electrodos son perpendiculares entre sí, y así se organizan las moléculas en una estructura helicoidal, o retorcida. Debido a que el material es de cristal líquido , la luz que pasa a través de un filtro polarizante se gira por la hélice de cristal líquido que pasa a través de la capa de cristal líquido, lo que le permite pasar por el segundo filtro
polarizado. La mitad de la luz incidente es absorbida por el primer filtro polarizante, pero por lo demás todo el montaje es transparente.
Cuando se aplica un voltaje a través de los electrodos, una fuerza de giro orienta las moléculas de cristal líquido paralelas al campo eléctrico, que distorsiona la estructura helicoidal (esto se puede resistir gracias a las fuerzas elásticas desde que las moléculas están limitadas a las superficies). Esto reduce la rotación de la polarización de la luz incidente, y el dispositivo aparece gris. Si la tensión aplicada es lo suficientemente grande, las moléculas de cristal líquido en el centro de la capa son casi completamente desenrolladas y la polarización de la luz incidente no es rotada ya que pasa a través de la capa de cristal líquido. Esta luz será principalmente polarizada perpendicular al segundo filtro, y por eso será bloqueada y el pixel aparecerá negro. Por el control de la tensión aplicada a través de la capa de cristal líquido en cada píxel, la luz se puede permitir pasar a través de distintas cantidades, constituyéndose los diferentes tonos de gris.
El efecto óptico de un dispositivo twisted nematic (TN) en el estado del voltaje es mucho menos dependiente de las variaciones de espesor del dispositivo que en el estado del voltaje de compensación. Debido a esto, estos dispositivos suelen usarse entre polarizadores cruzados de tal manera que parecen brillantes sin tensión (el ojo es mucho más sensible a las variaciones en el estado oscuro que en el brillante). Estos dispositivos también pueden funcionar en paralelo entre polarizadores, en cuyo caso la luz y la oscuridad son estados invertidos. La tensión de compensación en el estado oscuro de esta configuración aparece enrojecida debido a las pequeñas variaciones de espesor en todo el dispositivo. Tanto el material del cristal líquido como el de la capa de alineación contienen compuestos iónicos. Si un campo eléctrico de una determinada polaridad se aplica durante un período prolongado, este material iónico es atraído hacia la superficie y se degrada el rendimiento del dispositivo. Esto se intenta evitar, ya sea mediante la aplicación de una corriente alterna o por inversión de la polaridad del campo eléctrico que está dirigida al dispositivo (la respuesta de la capa de cristal líquido es idéntica, independientemente de la polaridad de los campos aplicados)
Cuando un dispositivo requiere un gran número de píxeles, no es viable conducir cada dispositivo directamente, así cada píxel requiere un número de electrodos independiente. En cambio, la pantalla es multiplexada. En una pantalla multiplexada, los electrodos de la parte lateral de la pantalla se agrupan junto con los cables (normalmente en columnas), y cada grupo tiene su propia fuente de voltaje. Por otro lado, los electrodos también se agrupan (normalmente en filas), en donde cada grupo obtiene una tensión de sumidero. Los grupos se han diseñado de manera que cada píxel tiene una combinación única y dedicada de fuentes y sumideros. Los circuitos electrónicos o el software que los controla, activa los sumideros en secuencia y controla las fuentes de los píxeles de cada sumidero.
La pantalla de cristal liquido o LCD (Liquid Crystal Display) es un dispositivo micro controlado de visualización grafico para la presentación de caracteres, símbolos o incluso dibujos (en algunos modelos), es este caso dispone de 2 filas de 16 caracteres cada una y cada carácter dispone de una matriz de 5×7 puntos (pixels), aunque los hay de otro número de filas y caracteres. Este dispositivo esta gobernado internamente por un microcontrolador Hitachi 44780 y regula todos los parámetros de presentación, este modelo es el mas comúnmente usado y esta información se basará en el manejo de este u otro LCD compatible.
Ilustración 16 LCD 2×16
Para comunicarse con la pantalla LCD podemos hacerlo por medio de sus pines de entrada de dos maneras posibles, con bus de 4 bits o con bus de 8 bits, este ultimo es el que explicare y la rutina también será para este. En la siguiente figura vemos las dos maneras posibles de conexionar el LCD con un pic16F84.
Ilustración 17 Conexión con bus de 4 bits
Ilustración 18 Conexión con bus de 8 bits
Como puede apreciarse el control de contraste se realiza al dividir la alimentación de 5V con una resistencia variable de 10K.
2.4 Desarrollo del software.
Ensamblador. La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares.
Compilador. La programación en un lenguaje de alto nivel (como el C ó el Basic) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador. Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos.
Depuración._ Debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.
Simulador._ Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador. Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el paso físico de la implementación de un modo más seguro y menos costoso.
2.4.1 Mikro Basic
Una de las razones para que los microcontroladores de Microchip sean tan populares, es la gran variedad de herramientas que se dispone para realizar aplicaciones con ellos. Entre estas herramientas se tiene a MikroBasic, que es un lenguaje de programación basado en el popular lenguaje Basic, pero se encuentra orientado a los microcontroladores de Microchip.
Si bien es cierto existen otros programas como MpLab, PicBasic, HiTech, CPic, etc., que también pueden ser utilizados para la programación de microcontroladores, MikroBasic ofrece no solo un lenguaje amigable y fácil de utilizar, sino también una amplia variedad de librerías, que permiten controlar de una forma extremadamente sencilla todos los periféricos del microcontrolador así como también periféricos externos tales como pantallas LCD sencillas y graficas. Adicionalmente MikroBasic ofrece un entorna grafico de programación con varias herramientas que facilitan la creación y prueba de aplicaciones de cualquier tipo.
2.4.2Proteus
Proteus es un entorno integrado diseñado para la realización completa de proyectos de construcción de equipos electrónicos en todas sus etapas: diseño, simulación, depuración y construcción.
Este programador es del tipo serial/paralelo, soporta las series de PIC"s 16F, 18F, y algunos dsPIC"s. Viene con el código fuente.
Hay muchos grabadores de PIC y el que vamos a usar el más popular y de bajo coste llamado JDM.
Cualquier programa que hagamos en el código fuente en ensamblador (ASM), lo compilamos y transformamos en un archivo ".hex" que es el que vamos a grabar con el WinPic800 al PIC 16F84A a través del TE20x.
Ilustración 19 Grabación en el PIC
Ilustración 20 Procesos de la elaboración de un sistema microcontrolado
Prueba Nº1 Aislamiento en la NTC. Construcción.
Debido a que el agua conduce la corriente eléctrica, es necesario que en la construcción del proyecto se aíslen los terminales de la NTC.
Como primera parte de la prueba procedimos a cubrir los terminales de la NTC con pintura anticorrosiva utilizada en construcciones industriales, obteniendo un muy buen aislamiento eléctrico, pero con el gran inconveniente de que el la pintura anticorrosiva no soporto las elevadas temperaturas a las cuales le sometimos dentro del agua.
Con el inconveniente ya mencionado anteriormente, buscamos un material que presente las características de ser un buen aislante eléctrico y de resistir las altas temperaturas en el agua a la cual va a ser sometida la NTC.
Para la siguiente parte de la prueba utilizamos Silicón de PVC, utilizado para el recubrimiento de los múltiples de escape de los automóviles, que está expuesto a elevadas temperaturas. Soldamos con estaño dos cables a los terminales de la NTC, y luego procedimos a recubrirlos con Silicón de PVC, tratando de darle forma de encapsulado para el mejor manejo de dicho elemento en pruebas posteriores.
Ilustración 21 Aislamiento de la NTC
Análisis de resultados.
La NTC recubierta con SILICÓN DE PVC, al ser sumergida en agua a altas temperaturas, presento un óptimo asilamiento eléctrico entre los terminales de la NTC, y una alta resistencia térmica en el agua, llegando a la conclusión de que este es el material ideal para el recubrimiento de la NTC.
Prueba Nº 2
Relación entre resistencia en la NTC y temperatura.
Para esta prueba debemos relacionar la resistencia, con la temperatura; con el objetivo de obtener un valor constante que justifique esta relación.
Esta constante nos será de mucha ayuda al momento de programar el PIC en puntos posteriores.
Para esta prueba requerimos de:
Ilustración 22 Termómetro de Mercurio
Ilustración 23 Proceso de Pruebas
Resultados.
Al revisar los resultados nos damos cuenta que mientras aumenta la temperatura, la resistencia del NTC disminuye. Esta relación produce una curva que podemos observar en la Ilustración 24.
TEMPERA URA [C°] | RESISTENCIA [k?] |
19 | 63,6 |
22 | 61,3 |
32 | 39,1 |
34 | 36,1 |
40 | 26,5 |
45 | 21 |
50 | 16,7 |
55 | 14,3 |
63 | 10,3 |
65 | 9,6 |
69 | 8 |
71 | 7,1 |
75 | 6,3 |
80 | 5,3 |
83 | 4,9 |
85 | 4,3 |
88 | 4 |
90 | 3,5 |
91 | 3,2 |
Tabla 2 Relación Temperatura-Resistencia
Ilustración 24 Resultados de la Prueba Nº 2
Prueba Nº 3
Relación entre la Resistencia del NTC y el valor de salida del ADC.
Al realizar esta prueba encontraremos una relación constante, la cual nos servirá para realizar el software de nuestro termómetro digital, esta constante se la llamara escala de transformación.
Para el desarrollo de esta prueba necesitaremos de:
Ilustración 25 Desarrollo de la Prueba Nº 3
Al finalizar la prueba obtenemos los resultados mostrados en la Tabla 3, con estos resultados construimos su grafica correspondiente obteniendo una recta como se muestra en la Ilustración 26.
TEMPERATURA [C°] | ADC |
21 | 10 |
23 | 11 |
27 | 12 |
29 | 13 |
32 | 14 |
33 | 15 |
38 | 16 |
40 | 17 |
41 | 18 |
44 | 19 |
46 | 20 |
49 | 21 |
51 | 22 |
54 | 23 |
56 | 24 |
59 | 25 |
61 | 26 |
64 | 27 |
66 | 28 |
69 | 29 |
72 | 30 |
74 | 31 |
75 | 32 |
77 | 33 |
80 | 34 |
84 | 35 |
87 | 36 |
90 | 37 |
Tabla 3 Relación Temperatura-ADC
Ilustración 26 Resultado de la Prueba Nº 3
Realizando los respectivos cálculos obtuvimos que la relación de la grafica es igual a:
Capitulo IV. Desarrollo del proyecto
Este termómetro a desarrollar nos servirá para censar la temperatura del agua a la salida de nuestra ducha eléctrica, para poder hacer posteriormente el control de temperatura, controlando el voltaje en la niquelina.
Elaboración del Software
Para realizar el software de nuestro termómetro digital es necesario utilizar la constante de conversión determinada en la Prueba Nº3. El programa va a ser desarrollado en Mikrobasic para posteriormente ser implementado en el microcontrolador utilizando WinPic800. El programa del termómetro digital es el siguiente:
program TERMÓMETRO
const ESCALA as float = 8.05 'constante de conversión dim AUX as byte
dim VOLTAJE as word ' Esta variable es de tipo word debido a que
el conversor A/D puede entregar hasta 1024 valores diferentes
dim DISP as char[4] ' Esta variable contendrá el valor
' del voltaje actual pero en la forma de caracteres
main:
'**************************************************************** "INICIALIZACIÓN DE PUERTOS Y PERIFÉRICOS
'****************************************************************
ADCON1 = %10001110 ' Programa justificación derecha y solo el RA0 como
' entrada analógica el resto de líneas (PORTA y ' PORTE) son digitales
TRISD = %00000000 ' Configura PORTD todo como salida
Lcd_Init(PORTD) ' Configura PORTD para controlar la LCD
Lcd_Out(1,4,"TERMOMETRO") ' Escribe el mensaje en la fila 1
AUX = 0
VOLTAJE = 0
'*************************************************************** ' PROGRAMA PRINCIPAL
'***************************************************************
while true
delay_ms(500) ' retrasa 500ms la repetición del bucle VOLTAJE = Adc_Read(0) ' Lee el valor del canal cero
AUX = VOLTAJE div ESCALA ' Hace la transformación de escala entre
' los 1024 valores del conversor y los 51 "valores del voltímetro 0.0V a 5.0V
ByteToStr(AUX,DISP) ' Transforma el valor decimal "AUX" en un
' cadena de caracteres
Lcd_Out(2,13,DISP) ' Escribe el valor en forma de texto de la ' variable DISP1
wend end.
Para ver si el programa esta bien realizado vamos a utilizar Proteus que es un simulador de aplicaciones micro controladas. Los datos de temperatura en el agua a la salida de la ducha eléctrica, van a ser censados por la NTC desarrolladla en la
Prueba Nº1, la NTC esta conectada a un circuito partidor de tensión, para poder tener un dato de voltaje que será convertido en el programa a una temperatura,
El valor de temperatura obtenido va a ser mostrado en un LCD de 2×16, el microcontrolador a utilizar es el 16F871 con un cristal de 20MHz.
El sensor de temperatura utilizado será el termistor NTC, ya explicado en el Capitulo I, y utilizado en la prueba # 1 del Capitulo II.
A continuación se muestra el circuito del termómetro digital:
PIC16F871A
Ilustración 27 Circuito del termómetro digital
Efectivamente pudimos comprobar la efectividad de nuestro termómetro digital, al realizar comparaciones en agua y en el ambiente con el termómetro de mercurio (ilustración 22), en esta comparación obtuvimos un margen de error de ±2ºC.
Este circuito nos permitirá detectar los cruces por cero para poder disparar el TRIAC con un control de ángulo, en un rango que ira de cruce a cruce, es decir de 0º a 180º.
4.2.1 Elaboración del Software.
Para la realización de este circuito utilizaremos las interrupciones del microcontrolador, con el fin de detectar los cruces por cero y abrir un puerto del microcontrolador durante 10us y apagarlo nuevamente.
program Disparador
symbol PWM = PORTB.3
const retardo as byte=10 const Divisor as byte=4
Dim ciclos, util, angulo as byte dim txt as string[3]
sub procedure interrupt
if TestBit(INTCON,INTF) then
if OPTION_REG.INTEDG=0 then
OPTION_REG.INTEDG=1 ' detecta flancos bajada
else
OPTION_REG.INTEDG=0 ' flancos de subida
end if
setbit(T2CON,TMR2ON) ' prendo ClearBit(INTCON,INTF)
end if
if TestBit(PIR1,TMR2IF) = 1 then ' Pregunta si el causante de la inc(ciclos) ' interrupción fue el TIMER2
if ciclos=0 then
PWm=0
end if
if ciclos=angulo then
PWM=1
util=angulo+3
end if
if ciclos=util then
PWm=0
end if
if ciclos=255 then
Clearbit(T2CON,TMR2ON) ' apago timer 2 end if
PR2=150
ClearBit(PIR1,TMR2IF) ' Limpia bandera de interrupción del TIMER2
end if end sub
main: '************************************************************** ' INICIALIZACIÓN DE PUERTOS Y PERIFÉRICOS
'************************************************************** 'Habilitacion de interrupciones
SetBit(PIE1,TMR2IE) ' Habilita interrupción por TIMER2 SetBit(INTCON,PEIE) ' Habilita interrupción por periféricos SetBit(INTCON,GIE) ' Habilita interrupciones globales SetBit(INTCON,INTE) ' Habilita INT externa RB0 OPTION_REG.INTEDG=1 ' flancos de subida
'configuración del timer 2
T2CON = %00000000 ' Programa modo TIMER (reloj interno) con
' prescaler de 1:1 postscaler 1:1
TMR2=0
PR2=96 'pone en 0 contador del TIMER Clearbit(OPTION_REG,0) 'PUll Up habilitadas puertoB ciclos=255
util=127
'Conversor
adcon1=%10001110 ' Configure analog inputs and Vref TRISA = $FF ' PORTA is input TRISB=%0000111
angulo=0
Lcd_Init(PORTD)
Lcd_Cmd(LCD_CLEAR) ' Limpia el LCD Lcd_Cmd(LCD_CURSOR_OFF) ' Apaga el cursor Lcd_Out(1,1,"Angulo:")
Lcd_Out(2,1,"I.T.S.S.")
'*************************************************************** ' PROGRAMA PRINCIPAL
'************************************************************** 'setbit(T2CON,TMR2ON) ' perndo
WHILE TRUE
if PORTB.1 = 0 then
delay_ms(50)
if angulo 252 then angulo=angulo+1 ByteToStr(angulo, txt) Lcd_Out(1,8,txt)
end if end if
if PORTB.2 = 0 then
delay_ms(50)
if angulo 0 then angulo=angulo-1 ByteToStr(angulo, txt)
Lcd_Out(1,8,txt)
end if end if
wend end.
4.2.1.1Detector de Cruces por Cero
Ilustración 28 Circuito detector Cruces por Cero
Ilustración 29 Detector de Cruce por Cero
En la ilustración 29 podemos ver que al osciloscopio están conectados la señal de entrada al detector y la detección del cruce por cero , en el canal C y en el A respectivamente.
A l canal C ingresa una onda sinusoidal de 9VCA proveniente del transformador reductor de 120VCA a 9VCA, esta señal ira conectada a una resistencia de 220? que a su vez esta conectada a la base del transistor NPN 3904, quien será el encargado de realizar la detección del cruce por cero
Al canal A ingresa una señal proveniente del colector del transistor NPN 3904, quien es el encargado de hacer dicha detección dando como resultado una señal cuadrada que cambia de estado en cada cruce .
Ilustración 30 Angulo de Disparo a 90º
En el software desarrollado anteriormente hemos creado un pulso de 10us que tendrá un rango de control de 0º a 180º es decir de cruce a cruce, como se puede ver en el Canal B (azul) de la ilustración 30, este pulso estará en el microcontrolador en puerto RB3, pin 36.Este pulso ira hacia el GATE del TRIAC BTA 40.
4.3.1 Desarrollo del Software
Para lograr el correcto funcionamiento de este programa es necesario tomar en cuneta el orden de declaración de variables y constantes, además de coordinar el uso de puertos y periféricos.
Este programa será implementado con el microcontrolador en el circuito de la Ilustración 29.
Program termometroydisparador
symbol PWM = PORTB.3
const retardo as byte=10
const ESCALA as float = 8.05 'escala de transformación Const Divisor as byte=4
Dim ciclos, util, angulo as byte dim dato AS WORD
dim txt as string[3] dim AUX as byte dim VOLTAJE as word dim DISP as char[4]
sub procedure interrupt
if TestBit(INTCON,INTF) then
if OPTION_REG.INTEDG=0 then
OPTION_REG.INTEDG=1 ' detecta flancos bajada
end if
else
OPTION_REG.INTEDG=0 ' flancos de subida
End if
setbit(T2CON,TMR2ON) ' prendo ClearBit(INTCON,INTF)
if TestBit(PIR1,TMR2IF) = 1 then ' Pregunta si el causante de
la
inc(ciclos) ' interrupción fue el TIMER2
if ciclos=0 then
PWm=0
end if
if ciclos=angulo then
PWM=1
util=angulo+3
end if
if ciclos=util then
PWm=0
end if
if ciclos=255 then
Clearbit(T2CON,TMR2ON) ' apago timer 2
end if
end if
end sub
PR2=150
ClearBit(PIR1,TMR2IF) ' Limpia bandera de interrupción
del TIMER2
main: '********************************************************* INICIALIZACIÓN DE PUERTOS Y PERIFÉRICOS
'********************************************************* 'Habilitación de interrupciones
SetBit(PIE1,TMR2IE) ' Habilita interrupción por TIMER2 SetBit(INTCON,PEIE) ' Habilita interrupción por periféricos SetBit(INTCON,GIE) ' Habilita interrupciones globales SetBit(INTCON,INTE) ' Hablilita INT externa RB0 OPTION_REG.INTEDG=1 ' flancos de subida
' configuración del timer 2
T2CON = %00000000 ' Programa modo TIMER (reloj interno)
con
' prescaler de 1:1 postscaler 1:1
TMR2=0
PR2=96 'pone en 0 contador del TIMER Clearbit(OPTION_REG,0) 'Pull Up habilitadas Puerto B ciclos=255
util=127
'conversor
adcon1=%10001110 ' Configura entradas analógicas y Vref. TRISA = $FF ' PORTA is input
TRISB=%0000111
angulo=0 Lcd_Init(PORTD)
Lcd_Cmd(LCD_CLEAR) " limpia la lcd Lcd_Cmd(LCD_CURSOR_OFF) " apaga el cursor de la lcd Lcd_Out(1,1,"Angulo:")
Lcd_Out(2,1,"TEMP:") ADCON1 = %10001110
TRISD = %00000000
AUX = 0
VOLTAJE = 0
'**************************************************** ' PROGRAMA PRINCIPAL
'****************************************************
while true
if PORTB.1 = 0 then
delay_ms(50)
if angulo 252 then angulo=angulo+1 ByteToStr(angulo, txt) Lcd_Out(1,8,txt)
end if
end if
if PORTB.2 = 0 then
delay_ms(50)
if angulo 0 then angulo=angulo-1 ByteToStr(angulo, txt) Lcd_Out(1,8,txt)
end if
end if
wend
end.
delay_ms(50)
VOLTAJE = Adc_Read(0) AUX = VOLTAJE div ESCALA
ByteToStr(AUX,DISP) Lcd_Out(2,10,DISP)
El PCB ha sido desarrollado en el programa Altium Designer en su versión 8.0. El PCB esta impreso ha doble cara y tiene dimensiones de 78x73cm. Para la elaboración de este circuito impreso, primero fue necesario el diseño de un circuito SCHEMATIC (.sch). Luego utilizando una librería de footprints, se asociaron cada uno de los componentes con sus respectivo footprint. Fue necesario constatar que cada uno de los footprints de la librería coincida con los elementos existentes en el
mercado local. Finalmente usando las herramientas de diseño de PCB"s de Altium Desiger se procedió al diseño y colocación de los componentes en la placa. Para posteriormente imprimir el diseño en un placa de cobre y soldar los elementos.
D1
GND
Ilustración 31 SCHEMATIC final.
Ilustración 32 PCB final
Agradecimiento:
Queremos dejar presente en esta monografía el mas sincero agradecimiento a todas las personas que hicieron posible la realización de este Proyecto, de manera especial al Ing. Pablo Rodas, quien de una manera desinteresada siempre nos brindo su ayuda y nos supo hacer caer en cuenta de los errores del proyecto para corregirlos. También al Sr. Gustavo Parra por confiar en nuestra capacidad y responsabilidad para el culmen del proyecto.
Ronald y Mario
Dedicatoria:
Quiero dedicar esta monografía y toda mi vida estudiantil hasta el momento, a Dios por darme la vida y todo lo que tengo, a mi padre, madre y hermano quienes han sido la piedra angular en mi formación humana, también la dedicatoria va para todas esas personas que han influido en mi vida de una manera positiva o negativa, ya que queda en nosotros poder sacarle provecho a todas las experiencias vividas.
Ronald.
Dedicatoria:
Dedico esta monografía y todo el esfuerzo que conllevó, a personas cruciales en mi vida que me han apoyado desde el principio. Estos seres tan queridos son mi madre y padre. A quienes les debo mi vida y la oportunidad de haber culminado estos seis años de estudio.
Mario Andrés
Autores:
Ronald Leandro Morocho Punín Mario Andrés Ortega Peláez
CUENCA
ECUADOR 2008-2009
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