UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS
DISEÑO CON ELECTRONICA INTEGRADA PROYECTO CONTROL DE TEMPERATURA
PROFESOR JUAN GILBERTO MATEOS SUAREZ
ALUMNO
JOSE EDGAR MAGALLON GARCIA
ÍNDICE Resumen……………………………………………………………………………. Resumen ……………………………………………………………………………. 1
Temperatura y acoplamiento
Definiciones
…………………………………….1 ……………………………………. 1
…………………………………………………………..………..…2
Desarrollo
LCD………………… LCD………………… …………………………………………….….. 3
LM35……………………………………………………………………....... LM35…………………………………………………………………….......6
ADC………………………………………………………………………… ADC…………………………………………………………………………7 7
Multiplicador …………………………………………………………...........8
Microprocesador…………………………………………………………….. Microprocesador ……………………………………………………………..9
Diagrama a de bloques……………………………………………………… bloques ………………………………………………………12
Resultados
Conclusiones
Bibliografia………………………………………………………………….……..1 Bibliografia ………………………………………………………………….……..113
CONTROL DE TEMPERATURA RESUMEN Este proyecto esta pensado en el mejoramiento de los controladores de temperatura, basado en los sistemas de detección y control de temperatura físicos analógicos, partiendo de que los ahora diseñados son de carácter lento y rígido, por esto se requiere construir un sistema versátil e universal, con un rango de control variable que cuente con la posibilidad de escoger entre una gama extensa de temperaturas de forma sencilla y que sea fácilmente modificable de acuerdo a las necesidades de sensibilidad, interconexión y aplicación, mediante el uso de calefactores y ventiladores. Este controlador de temperatura por medio del teclado nos facilita la selección de temperatura y a través del microprocesador el despliegue de información. Entre sus principales ventajas, está la de la universalidad de su salida digital, fácilmente adaptable a la etapa de potencia deseada, sin necesidad de muchos cambios en su estructura externa general, también el despliegue de información que se encargara de mostrar continuamente la temperatura actual, la máxima y la mínima alcanzada, el programa elegido, y también el estado (encendido o apagado) de cada una de sus salidas (calefactor, ventilador). Este tipo de circuitos es ideal para la utilización en hogares, o mejor aún, en invernaderos o cámaras de cría de diferentes animales solo con la simple adaptación de la etapa de potencia.
TEMPERATURA Y ACOPLAMIENTO El propósito de este proyecto es el control de la temperatura mediante muestreo constante de la misma a través del LM35 (censor de temperatura que otorga 10mV por grado C). La señal es acondicionada por medio de una amplificación de ganancia 2 para la recepción escalada en la entrada del ADC0804, el cual envía una señal digital proporcional a los cambios externos por medio del puerto 1 del microprocesador AT89S52. El tratamiento de la información a la salida del amplificador se apareja con una temperatura de control introducida por medio de un teclado de barrido por columnas (búsqueda de coincidencias de fila-columna al mantener una señal constante en cierta columna y corrimiento del escaneo por filas). La diferencia entre ambas temperaturas se clasifica de acuerdo a su posición de la señal de control como superior, inferior o igual a la misma. Esta clasificación se utiliza como base de decisión para activar la etapa de potencia ya sea de calefacción o de enfriamiento guiada al equilibrio entre ambas temperaturas (amortiguamiento constante con tendencia a la temperatura esperada).
DEFINICIONES Sistemas de control Definición de sistema: a) Un “sistema” es un conjunto o colección de cosas en particular conectadas o relacionadas de manera que constituyan un todo b) Un “sistema” es un ordenamiento de componentes físicos conectados e interrelacionados de manera que formen una unidad completa que actua como tal.
La palabra “control” generalmente se usa para designar “regulación”, dirección o “comando”. Al combinar las definiciones anteriores se tiene: Un sistema de control es un ordenamiento de componentes físicos conectados de tal manera que comande, dirija o regularice a sí mismo o a otro sistema. En el sentido más abstracto considere cada objeto físico como un sistema de control. Cada cosa altera su medio ambiente, activa o positivamente. Respecto a este sistema de control, han existido diferentes soluciones debido a las condiciones del entorno de la aplicación:
1. Un calentador o calefactor controlado por medio de un termostato que regula automáticamente la temperatura de un recinto. La entrada de este sistema es una temperatura de referencia, (generalmente se especifica graduando el termostato convenientemente). La salida es la temperatura del recinto. Cuando el termostato detecta que la salida es menor que la entrada, el calefactor produce calor hasta que la temperatura del recinto sea igual a la entrada de referencia. Entonces, el calefactor se desconecta automáticamente.
2. Industrialmente, se pueden considerar los sistemas basados en el uso de censores para condiciones mas extremas que el calentamiento del aire hogareño o la regulación de la temperatura del agua de un contenedor, como son los Transductores de temperatura, los más comunes son: Termocuplas, termoresistencias, termistores, sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos. Para cada aplicación consideraremos, varios factores, como rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento.
DESARROLLO Se explicaran de forma breve el funcionamiento de las partes que componen el proyecto y como interactúan para obtener el resultado final.
FUNCIONAMIENTO DEL LCD El funcionamiento del LCD es un procedimiento de despliegue de caracteres, esto es un proceso independiente exclusivamente de la configuración del dispositivo de cristal líquido. Aquí el microcontrolador 89S52 es un instrumento que facilita la habilitación de las palabras de control o configuración del elemento, y para mandar los datos determinados para mostrar en el LCD. El procedimiento es muy sistemático, por tanto puede ser aplicado en los pasos siguientes: 1. Programar las palabras de control para el uso adecuado del dispositivo 2. Habilitar las palabras mediante un pulso en E "Enable" 3. Crear una secuencia en el microcontrolador la cual proporcione una a una cada byte que deseemos mostrar. 4. Determinar el mensaje o mensajes a mostrar en pantalla. La pantalla de cristal contiene las siguientes terminales para su programación: DR = Registro de datos IR = Registro de Instrucciones E = Enable: Habilitador RS =Register Select: Selecciona Registros R/W = Read/Write Lectura/Escritura E: Responde en la transición de un pulso alto a uno bajo DB0 a DB7: entrada de datos, cuando ya se programó la pantalla.
En el IR se almacenan códigos de instrucciones e información de direcciones para la RAM de datos(DDRAM) y la RAM generadora de caracteres(CGRAM). En el DR se almacenan temporalmente los datos que envía la CPU a la DDRAM o a la CGRAM durante una operación de escritura o los que trae de las mismas durante una operación de lectura.
Para configurar el LCD, contamos con la siguiente tabla de instrucciones.
Donde: X: Es 1 ó 0 I/D: Mueve el cursor a la derecha =1; o a la izquierda =0 S: Habilita el desplazamiento del mensaje =1; deshabilita =0 D: Display activado =1; desactivado = 0 C: Cursor activado =1; deshabilitado = 0 B: Cursor intermitente =1; fijo = 0 S/C: Desplaza el cursor = 0, ó el mensaje =1 a la izquierda (R/L =0) ó a la derecha (R/L=1) D/L: Interfase de 8 bits =1, o 4 bits =0 N: Pantalla de dos líneas=1, una línea=0 F: Formato del carácter 5X10 puntos =1; o de 5X7 puntos = 0. De la tabla anterior se toman los valores que se deseen para configurar al modo deseado nuestro LCD. Teniendo en cuenta que entre cada instrucción de configuración, se deberá dar un pulso al habilitador o enable "E"
Fig. 1 Diagrama a bloques del LCD
Fig. 2 Cristal liquido
DESCRIPCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS USADOS EN EL PROCESO DE LA VARIABLE DE MEDICIÓN Para realizar esta parte se requiere un LM35, un amplificador (con una amplificación de 2 y un ADC). A continuación se describe el funcionamiento de cada circuito.
SENSOR DE TEMPERATURA LM35 El sensor de temperatura utilizado, es el circuito integrado LM35 de National Semiconductors Características principales:
El circuito integrado LM35 es un censor de temperatura cuya tensión de salida es linealmente proporcional con la temperatura en la escala Celsius (centígrada). Posee una precisión aceptable para la aplicación requerida, no necesita calibración externa, posee sólo tres terminales, permite el sensado remoto y es de bajo costo * * * *
Factor de escala: 10mV/C (garantizado entre 9,8 y 10,2mV/C) Rango de utilización: 55ºC \< T \< 150ºC Precisión de: ~1,5 ºC (peor caso) No linealidad: ~0,5ºC (peor caso)
Fig. 3 Diseño del LM35
CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL (ADC). En el control automático resulta conveniente efectuar las funciones de regulación de sistemas mediante técnicas digitales, sin embargo en la gran mayoría de los procesos la señal disponible es analógica, ya que son muchos los transductores que poseen una salida eléctrica de tipo analógica, correspondiente a la magnitud de la variable de medición como pueden ser las señales de audio, video, los puentes de medición, las celdas extensiométricas, los termopares, etc. Estas características nos obligan a tener que efectuar una conversión analógica digital (ADC), por otro lado puede ser necesario actuar analógicamente sobre un controlador o elemento de control final, o efectuar una representación analógica sobre un registrador, una pantalla, etc. lo que nos obliga a realizar la conversión inversa, esto es, digital analógica (DAC), es necesario pues disponer de estos elementos capaces de efectuar esta conversión en uno u otro sentido, con unas características de velocidad adecuadas a cada caso.
Con la práctica del ADC se conocerá algo muy básico de lo que es la instrumentación digital, aquí, el primer paso es construir e diseño de un circuito que use como dispositivo analógico digital el integrado ADC0809, el cual nos permitirá relacionar las mediciones analógicas con las salidas digitales codificadas en binario natural, para realizar esto, el ADC0809 utiliza el método de aproximaciones sucesivas, si se desea utilizar un microprocesador o microcontrolador con un ADC se necesita implementar como principio, el circuito de esta practica la salida del ADC se acopla directamente a un puerto de entrada del sistema mínimo, además se debe de cumplir la tabla de calibración que relacione la entrada analógica con la salida. Primero se define el número máximo de bits de salida (la salida digital). Este dato permite determinar el número. máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por:
Fig. 4 Configuracion del ADC
AMPLIFICACIÒN DE LA SALIDA DEL LM35 (MULTIPLICADOR) Para realizar la amplificación con un factor de dos se requiere de un amplificador operacional 741 y configurarlo de manera que amplifique la señal del LM35 un factor de 2 veces.
Fig. 5 Amplificador no inversor de ganancia 2 para la salida del LM35
A continuación se muestra un diagrama a bloques donde se representa la conexión del LM35, Amplificador y el ADC.
Fig.6 Diagrama a bloques del proceso de señal analógica de entrada
Por medio de un cautín se le agrega calor al censor de temperatura LM35; la salida del censor es de 10 mV/ C por lo que se requiere una etapa de amplificación *2 para que se tenga una salida de 20 mV/ C para que este valor se pueda incorporar a la entrada del ADC, ya que, éste último tiene una resolución de 20 mV por cada bit, la salida del ADC entonces se le introducirá a uno de los puertos del microprocesador.
FUNCIANMIENTO DEL MICRO AT89S52 Un microprocesador no es un ordenador completo. No contiene grandes cantidades de memoria ni es capaz de comunicarse con dispositivos de entrada, como un teclado, un joystick o un ratón, o dispositivos de salida como un monitor o una impresora. Un tipo diferente de circuito integrado llamado microcontrolador es de hecho una computadora completa situada en un único chip, que contiene todos los elementos del microprocesador básico además de otras funciones especializadas. Los microcontroladores se emplean en videojuegos, reproductores de vídeo, automóviles y otras máquinas Microprocesador es un circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso de un ordenador, proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Los microprocesadores también se utilizan en otros sistemas informáticos avanzados, como impresoras, automóviles o aviones. El microprocesador es un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos integrados, también conocidos como microchips o chips, son circuitos electrónicos complejos formados por componentes extremadamente pequeños formados en una única pieza plana de poco espesor de un material conocido como semiconductor. Hay microprocesadores que incorporan hasta 10 millones de transistores (que actúan como amplificadores electrónicos, osciladores o, más a menudo, como conmutadores), además de otros componentes como resistencias, diodos, condensadores y conexiones, todo ello en una superficie comparable a la de un sello postal. Un microprocesador consta de varias secciones diferentes. La unidad aritmético-lógica (ALU, siglas en inglés) efectúa cálculos con números y toma decisiones lógicas; los registros son zonas de memoria especiales para almacenar información temporalmente; la unidad de control descodifica los programas; los buses transportan información digital a través del chip y de la computadora; la memoria local se emplea para los cómputos realizados en el mismo chip. Los microprocesadores más complejos contienen a menudo otras secciones; por ejemplo, secciones de memoria especializada denominadas memoria caché, que sirven para acelerar el acceso a los dispositivos externos de almacenamiento de datos. Los microprocesadores modernos funcionan con una anchura de bus de 64 bits (un bit es un dígito binario, una unidad de información que puede ser un uno o un cero): esto significa que pueden transmitirse simultáneamente 64 bits de datos. Un cristal oscilante situado en el ordenador proporciona una señal de sincronización, o señal de reloj, para coordinar todas las actividades del microprocesador. La velocidad de reloj de los microprocesadores más avanzados es de unos 800 megahercios (MHz), unos 800 millones de ciclos por segundo, lo que permite ejecutar más de 1.000 millones de instrucciones cada segundo
Fig. 7 Configuración de pines y empaquetado del AT89S52
Fig. 8 Diagrama a bloques interno del micro controlador
Fig. 9 Diagrama de flujo
ADAPTACION DEL CIRCUITO Para el proyecto se utiliza para el sensor de temperatura variable el cual tiene la función de controlar todo el proceso primero traduce el teclado para establecer la temperatura deseada una vez establecida monitorea la temperatura actual y da la orden para accionar el cautín y seguir calentando o si ya se llego a la temperatura deseada se enciende al ventilador para no sobrepasar dicha temperatura el micro esta monitoreando constantemente la temperatura a fin de establecer un control y la temperatura tenga siempre el nivel deseado la manera en que se monitorea la temperatura es la siguiente el circuito LM35 envía una señal de 10 mV por cada grado centígrado que se incrementa esa señal pasa a un ADC (convertidor análogo digital) la cual pasa al micro para hacer la transformación a grados centígrados y de esta manera, utilizar la información para mantener el sistema a la temperatura deseada.
DIAGRAMA A BLOQUES Descripción del proceso de la variable controlada. A continuación se muestra un diagrama a bloques de dicho proceso.
Fig. 10 Diagrama a bloques del circuito a implementar
Descripción del circuito De acuerdo a la temperatura que se está manteniendo regulada por el microprocesador activa un relé el cual switchea al cautín que está conectado a la corriente de AC. Para poder switchear al ventilador se utiliza un transistor como interruptor.
RESULTADOS El comportamiento final del circuito montado se acerca a al comportamiento esperado durante el diseño, sin embargo, variables físicas permiten la existencia de marcadas diferencias con respecto al comportamiento ideal. Estos cambios son: -El calentamiento es bastante más lento al esperado -La inercia del calentamiento del cautín calienta el sistema durante un lapso más allá de la temperatura de equilibrio. -El cambio de fuente de regulación de temperatura tiene una sensibilidad de solo un grado, lo cual generaría problemas a cambios más rápidos de temperatura. -La etapa de potencia no aprovecha al máximo su capacidad para transmisión y disipación del calor. A pesar de ello, el sistema es confiable dentro de ciertos rangos de trabajo.
CONCLUSIONES El sistema puede ser mejorado, sobre todo para el aprovechamiento del gasto y uso de la potencia de la etapa de calentamiento-enfriamiento, ya que la ventana de trabajo para el amortiguamiento de la temperatura es tan bajo, que se presentan cambios demasiado constantes en la etapa de potencia, que tienden más a la oscilación rápida en torno a la temperatura de control. Una recomendación proporcionada, es la implementación de control de histéresis por medio de entradas faltantes en los puertos del microprocesador, o a través de un comando separado en el teclado.
BIBLIOGRAFIA 12345-
www.datasheetarchive.com http://es.wikipedia.org/wiki/Willis_Haviland_Carrier http://www.sapiensman.com/control_automatico/control_automatico6.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Calefactor http://www.tianma.com/
