- Diseño del termómetro digital
- Características relevantes
- Material y equipo a emplear
- Desarrollo del termómetro digital
- Bibliografía
En el presente trabajo se explica el diseño y desarrollo para implementar un "termómetro digital" basado en el microcontrolador PIC16F84, fabricado por Microchip, el cual se programará en el lenguaje ensamblador del microcontrolador para el funcionamiento del proyecto.
La importancia de realizar un termómetro digital es debido a que es muy fácil realizar medidas de la temperatura con un sistema de adquisición de datos, pero la realización de medidas de temperatura exactas y repetibles no es tan fácil.
La temperatura es un factor de medida engañoso debido a su simplicidad. A menudo pensamos en ella como un simple número, pero en realidad es una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad pueden verse afectadas por la masa térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida.
La temperatura es difícil de medir con exactitud aún en circunstancias óptimas, y en las condiciones de prueba en entornos reales es aún más difícil. Entendiendo las ventajas y los inconvenientes de los diversos enfoques que existen para medir la temperatura, resultará más fácil evitar los problemas y obtener mejores resultados.
El termómetro digital será desarrollado de acuerdo al siguiente diagrama a bloques:
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DESCRIPCIÓN:
El sensor que se utilizará será el transistor LM35DZ modelo TO-92, el cual es un sensor de temperatura con buena precisión en escala Celsius. Éste dispositivo transforma la temperatura del ambiente en voltaje, del orden de mV.
El LM35DZ entrega a la salida una resolución de 10mV por cada grado centígrado.
Empleándolo solo sin ninguna configuración en especial, el dispositivo presenta un rango de medición de 2 a 150°C, como se muestra a continuación:
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Esta configuración es la idónea para el proyecto pues solamente la utilizaremos para medir temperaturas hasta 99°C.
Este sensor es fabricado por Fairchild y National Semiconductor.
La etapa de conversión se llevará a cabo mediante el convertidor analógico-digital (A / D) ADC0804, el cual es un convertidor A / D de 8 bits con salida en paralelo, debido a que es uno de los dispositivos más populares en aplicaciones de sistemas, además de estar bien documentado, pues existe gran cantidad de información en libros y en Internet para poderlo emplear en aplicaciones con microprocesadores, microcontroladores y PLD’s.
Dicho convertidor utiliza el método de aproximaciones sucesivas para la conversión, que se describe brevemente a continuación:
Los convertidores de aproximaciones sucesivas contienen un valor fijo en su tiempo de conversión que no depende del valor de la entrada analógica, la disposición básica es semejante a la de ADC de rampa digital, sin embargo, el convertidor de aproximaciones sucesivas no utiliza ningún contador para dar la entrada en el bloque del convertidor DAC, pero en cambio usa un registro con lógica de control que modifica el contenido del registro bit a bit hasta que los datos del registro son el equivalente digital de la entrada analógica.
El tiempo de conversión de los convertidores de aproximaciones sucesivas de "n" bits requieren "n" ciclos de reloj para realizar su conversión sin importar la magnitud del voltaje que esta presente en su entrada, esto se debe a que los circuitos de control tienen que ensayar un 1 lógico en cada posición del bit para ver si se necesita o no, es por esto que los convertidores de aproximaciones sucesivas tienen tiempos de conversión muy rápidos, su uso en aplicaciones de sistemas con adquisición de datos permitirán que se adquieran mas valores de datos en un intervalo de tiempo dado.
Esto puede ser muy importante cuando los datos analógicos cambian su valor rápidamente.
Función de cada uno de los pines del convertidor:
Pin | Nombre | Función | Lógica |
1 | CS- Chip Select | Habilita el chip | I / 0 |
2 | RD- Salida autorizada | Lee la información | I / 0 |
3 | WR- Start conversion | Iniciar conversión | I / 0 |
4 | CLKIN | Entrada de reloj |
|
5 | INTR | Indicador fin conversión | I / 0 |
6 | Vlts + | Señal positiva analógica | -0,3/16V |
7 | Vlts – | Señal negativa analógica | 0 |
8 | A GND | Tierra analógica | 0 |
9 | Vref/2 | 1/2 máximo del Pin 6 |
|
10 | D GND | Tierra digital |
|
11/18 | DB7 a DB0 | Salidas digitales | I / 0 |
19 | CLK R | Salidas reloj interno |
|
20 | Vcc | Alimentación | hasta 6,5V |
Este convertidor es fabricado por National Semiconductor.
Este convertidor se empleará debido a que el sensor LM35DZ nos entrega la temperatura como voltaje y como el voltaje es una cantidad analógica, necesitamos convertirla a su equivalente en valor digital para poderla manejar, pues los valores digitales son cantidades discretas y por lo tanto es más fácil trabajar con ellas que con cantidades analógicas.
El convertidor que utilizaremos presenta el siguiente diagrama de acuerdo a la colocación de sus pines descritos anteriormente:
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Sus características más importantes son:
- Posee dos entradas analógicas: VIN (+) y VIN (-), las cuales permiten tener entradas diferenciales. Es decir, el voltaje real de entrada VIN es la diferencia entre los voltajes aplicados en dichas terminales. En mediciones hechas en un solo punto, la entrada analógica se aplica en VIN(+) mientras que VIN(-) se conecta a la tierra analógica. Durante la operación normal, el convertidor utiliza VCC = +5 V como voltaje de referencia y la entrada analógica puede variar desde 0 hasta 5 V, que es el valor de escala completa.
- Convierte el voltaje analógico de entrada en una salida digital de ocho bits. La salida es de tres estados, lo que permite conectar al convertidor con facilidad en canales de datos. Con ocho bits la resolución es de 5V / 255 = 19.6 mV.
- Tiene un circuito de reloj interno que produce una frecuencia igual con f=1/(1.1RC), donde R y C son los valores de los componentes externos conectados al convertidor. Una frecuencia típica de reloj es de 606 kHz y se obtiene con R = 10kW y C = 150 pf. Si se desea también se puede conectar un reloj externo; éste se conecta a la terminal CLKIN del CI.
- Al utilizar un frecuencia de 606 kHz, el tiempo de conversión es, aproximadamente, igual a 100m s.
- Tiene conexiones a tierra por separado para los voltajes analógicos y digitales. La terminal ocho corresponde a la tierra analógica y se conecta al punto común como referencia en el circuito analógico que genera el voltaje analógico. La terminal diez es la tierra digital, que es la que utilizan todos los dispositivos digitales que integran al sistema.
La interpretación de los datos obtenidos del convertidor A / D ADC0804 la realizará el microcontrolador PIC16F84, fabricado por Microchip.
El PIC16F84 convertirá los valores del ADC0804 en valores equivalentes para la visualización.
Como éste dispositivo es el que desarrollará el trabajo más importante de nuestro proyecto, pues de nada sirve tener el mejor sensor de temperatura ni el convertidor analógico digital más exacto sino contamos con un dispositivo que interprete los valores correctamente, se describirá brevemente a continuación al PIC16F84:
Para las aplicaciones más habituales (casi un 90%) la elección de una versión adecuada de PIC es la mejor solución; sin embargo, dado su carácter general, otras familias de microcontroladores son más eficaces en aplicaciones específicas, especialmente si en ellas predomina una característica concreta, que puede estar muy desarrollada en otra familia.
Los detalles más importantes de la excelente acogida que tienen los PIC son los siguientes:
- Sencillez de manejo: Tienen un juego de instrucciones reducido; 35 en la gama media.
- Buena información, fácil de conseguir y económica.
- Precio: Su coste es comparativamente inferior al de sus competidores.
- Poseen una elevada velocidad de funcionamiento. Buen promedio de parámetros: velocidad, consumo, tamaño, alimentación, código compacto, etc.
- Herramientas de desarrollo fáciles y baratas.
- Existe una gran variedad de herramientas hardware que permiten grabar, depurar, borrar y comprobar el comportamiento de los PIC.
- Diseño rápido.
- La gran variedad de modelos de PIC permite elegir el que mejor responde a los requerimientos de la aplicación.
Una de las razones del éxito de los PIC se basa en su utilización. Cuando se aprende a manejar uno de ellos, conociendo su arquitectura y su repertorio de instrucciones, es muy fácil emplear otro modelo.
Descripción de las características más representativas de los PIC:
Arquitectura.
La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard. En esta arquitectura, la CPU se conecta de forma independiente y con buses distintos con la memoria de instrucciones y con la de datos.
La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder simultáneamente a las dos memorias. Además, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema como se irán describiendo.
Segmentación.
Se aplica la técnica de segmentación ("pipe-line") en la ejecución de las instrucciones.
La segmentación permite al procesador realizar al mismo tiempo la ejecución de una instrucción y la búsqueda del código de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada instrucción en un ciclo (un ciclo de instrucción equivale a cuatro ciclos de reloj).
Las instrucciones de salto ocupan dos ciclos al no conocer la dirección de la siguiente instrucción hasta que no se haya completado la de bifurcación.
Formato de las instrucciones.
El formato de todas las instrucciones es de la misma longitud
Todas las instrucciones de los microcontroladores de la gama baja tienen una longitud de 12 bits. Las de la gama media tienen 14 bits y más las de la gama alta. Esta característica es muy ventajosa en la optimización de la memoria de instrucciones y facilita enormemente la construcción de ensambladores y compiladores.
Juego de instrucciones.
Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido).
Los modelos de la gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones, 35 los de la gama media y casi 60 los de la alta.
Todas las instrucciones son ortogonales
Cualquier instrucción puede manejar cualquier elemento de la arquitectura como fuente o como destino.
Arquitectura basada en un "banco de registros"
Esto significa que todos los objetos del sistema (puertas de E/S, temporizadores, posiciones de memoria, etc.) están implementados físicamente como registros.
Diversidad de modelos de microcontroladores con prestaciones y recursos diferentes
La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC permite que el usuario pueda seleccionar el más conveniente para su proyecto.
Herramientas de soporte potentes y económicas
La empresa Microchip y otras que utilizan los PIC ponen a disposición de los usuarios numerosas herramientas para desarrollar hardware y software. Son muy abundantes los programadores, los simuladores software, los emuladores en tiempo real, Ensambladores, Compiladores C, Intérpretes y Compiladores BASIC, etc.
La arquitectura Harvard y la técnica de segmentación son los principales recursos en los que se apoya el elevado rendimiento que caracteriza estos dispositivos programables, mejorando dos características esenciales:
- Velocidad de ejecución.
- Eficiencia en la compactación del código.
Características del PIC16F84:
- Memoria RAM de programa de 1K con palabra de 14 bits tipo Flash.
- Memoria EEPROM de datos con 68 registros de propósito general.
- ALU de 8 bits.
- 2 puertos de comunicación puerto A de 5 bits y puerto B de 8 bits.
- Temporizador con preescaler.
- Stack de 8 niveles.
- Contador de programa de 13 bits.
Para la visualización de la temperatura se empleará un display de cristal líquido (LCD) de 2 líneas por 16 caracteres (ks0066u), el cual será conectado a la salida del puerto B del PIC16F84A para enviarle a éste los datos a visualizar, siendo éstos los equivalentes a números decimales de la palabra digital obtenida del ADC y por el puerto A se enviarán las señales para controlar el dispositivo.
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- 1 PROTOBOARD
- PIC16F84A
- SENSOR LM35DZ
- ADC0804
- CRISTAL DE 4Mhz
- DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO DE 2 X 16
- 2 CAPACITORES CERÁMICOS DE 27pf
- CAPACITOR CERÁMICO DE 150pf
- 2 POTENCIÓMETROS DE PRESICIÓN DE 10KW
- RESISTENCIA DE 10KW A ¼ DE WATT
- FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE 5V
- CABLE TELEFÓNICO
- PINZAS DE PUNTA Y CORTE
- MULTIMETRO DIGITAL
- FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA DE 5V
DESARROLLO DEL TERMÓMETRO DIGITAL
Inicialmente se tiene que considerar la manera como funciona el sensor LM35, que como anteriormente se mencionó, nos entrega a la salida 10mV por cada grado centígrado.
Como la salida del sensor es en mV dicha salida se convertirá en una cantidad digital para facilitar su manejo. Para esto se empleará el ADC0804.
Para la conversión analógico – digital el ADC0804 se manipulará de la siguiente manera:
1.- Se habilita el CAD mediante un pulso bajo aplicado a la terminal de CS, para que se inicie la conversión.
2.- Se habilita la terminal (pulso bajo) denominada WR para que inicie el proceso de conversión, para esto se debe esperar 100m s aproximadamente para que se lleve a cabo la conversión.
3.- Se habilita la terminal (pulso bajo) denominada RD para que a la salida se tenga el resultado de la conversión.
4.- Finalmente se deshabilita el convertidor.
Lo anterior se observa en el siguiente diagrama:
El voltaje de referencia que se manejará en el convertidor se calcula de la siguiente manera:
Como el LM35 nos entrega a la salida 10mV/°C y la máxima temperatura que puede detectar es de 150 °C, se tiene que 10mV x 150 = 1.5V, el cual es el máximo voltaje que nos puede entregar, entonces, en base a este voltaje como es el máximo será el voltaje de referencia.
Pero como el ADC maneja en su entrada VREF/2 el voltaje de referencia será de 0.75 V.
La corriente que se manejará en dicho voltaje de referencia será de 1mA y el voltaje se obtendrá de VCC= 5V mediante un divisor de tensión:
La resistencia total del divisor se calcula:
Rt = VCC / Ideseada
Rt = 5V / 1mA = 2.5 kW
El factor que se manejará para poder calcular R1 y R2 del divisor de tensión se calcula:
Vdeseado/ Vtotal = 0.75V / 5V = 0.15
Una vez obtenido el factor se procede a calcular el valor de los resistores:
R1 = 0.15 * 2.5kW = 375W
R2 = 2.5kW – 375W = 2125W
Ahora se comprobará si los valores son correctos:
Vref = (375W /375W +2125W ) * 5V = 0.75 V
Que es el voltaje que se necesita para ajustar los pasos del convertidor a escala completa.
En lo que respecta al PIC16F84A el programa, para leer el CAD; interpretar el valor de la conversión y la visualización de la misma, se desarrolló el programa de conforme al siguiente diagrama de bloques:
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Diagrama del termómetro:
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- Microcontroladores PIC, Diseño práctico de aplicaciones
José Ma. Ángulo Usategui, Ignacio Ángulo Martínez
2da. edición
Editorial Mc Graw Hill
Págs. 29,30
1999
José Luis Rayon