Informe de Control de Temperatura (2)

Informe

De Laboratorio

Ccoto Ramos David Torres Moreano Carlos Luna Solis Fernando Eric Mendoza Vilchez Miguel

04190232 02190088 05190078 04190108

LABORATORIO DE INGENIERÍA DE CONTROL I

INFORME DE Nº 01

TEMA:

Sistema de Control Digital de Temperatura por Histéresis

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Objetivo

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Introducción

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Análisis General

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Implementación

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Programación

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Pruebas Finales

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Conclusiones

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos

El objetivo de esta experiencia es poder implementar a nivel hardware un controlador digital de temperatura, empleando un microcontrolador Atmega8, que nos permita mantener la temperatura de un ambiente dentro de un determinado rango.

El sistema que implementaremos consta de una primera etapa que cuantificará el nivel de temperatura, pasándolo en proporción lineal a niveles de voltaje analógico, luego se encargara de acondicionar esta señal obtenida y la entregará a una segunda etapa, que es la etapa de control. Esta etapa se dedicará a analizar la información proporcionada por la etapa anterior y una etapa que nos brindará un nivel de referencia, según las condiciones dadas por el diseñador, la segunda etapa tomará un determinado comportamiento, con lo cual se controlará una tercera etapa final. Finalmente la tercera y última etapa se encargará de ejecutar las decisiones tomadas por la etapa de procesamiento. Veamos esto en un diagrama de bloques: Etapa de Sensado y Acondicionamiento de Señal

Etapa de Referencia

Etapa de Procesamiento

Etapa salida o Potencia

Laboratorio de Ingeniería de Control I Semestre 2010 - I Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica Universidad Nacional Mayor de San Marcos

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PROCESO DE DISEÑO: Para elaborar el diseño del sistema de control digital del problema planteado, identificamos las etapas del sistema físico, obteniendo el siguiente diagrama de bloques en lazo cerrado.

ETAPA DE SENSADO El nivel de temperatura será obtenido a través del sensor LM35, encapsulado TO-92, este empaquetado tiene un nivel de censado que varía desde los -60ºC a +150ºC. La conversión de nivel de temperatura a un equivalente de voltaje, es cuasi lineal, y se tiene un equivalente aproximado de 10mV por cada 1ºC. Los valores de trabajo del sensor LM35 son:

Con estas características podemos obtener que el rango de voltaje de salida del sensor es: -600mV a 1.5V La señal equivalente a la temperatura censada expresada en voltaje, es una señal analógica, por lo tanto al ser la conversión de ºC a mV, de forma cuasi lineal, la señal expresada en voltaje es también una señal analógica. Laboratorio de Ingeniería de Control I Semestre 2010 - I Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica Universidad Nacional Mayor de San Marcos

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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos El diagrama circuital correspondiente a esta etapa podemos apreciarlo en la siguiente grafica:

Además de ello se debe observar que el nivel de voltaje que corresponde a la temperatura de ambiente (aprox. 25ºC) es de 250mV, la cual es insuficiente para excitar a la siguiente etapa, es por este motivo que empleamos un amplificador operacional con una ganancia G=10. El diseño de esta parte comprende lo siguiente:

La ganancia la obtenemos de la configuración de las resistencias R3 y R2


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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos ETAPA DE REFERENCIA Esta etapa nos sirve para fijar un nivel de temperatura a la cual queremos mantener un ambiente determinado, usando el sistema de control digital. Como la temperatura censada está expresada en un valor de voltaje equivalente, entonces para poder hacer una comparación entre el nivel de temperatura censado con el nivel de temperatura que queremos mantener, entonces ambos deben estar expresados en las mismas unidades, por lo tanto fijaremos un nivel de temperatura a la cual mantendremos el ambiente, con un valor de voltaje equivalente. Para nuestro caso, utilizamos la siguiente equivalencia: Como 10mV equivale a 1ºC Entonces para un nivel de temperatura de 28ºC el valor de voltaje debe ser de 2.8V El diseño físico de esta etapa lo hacemos usando un divisor de voltaje, y para poder fijar varios niveles de temperatura de referencia, usamos un potenciómetro. Finalmente el circuito diseñado es:


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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos ETAPA DE PROCESAMIENTO En esta etapa se analizan las entradas provenientes de las etapas de referencia y de censado, los cuales son procesados por el microcontrolador Atmega 8, para al final obtener una señal de control que nos permitirá activar la etapa de potencia. Para este efecto se programa al microcontrolador con las instrucciones que le permitirán convertir las señales analógicas provenientes de las etapas mencionadas a señal digital, la cual será procesada según las instrucciones programadas en dicho microcontrolador. El microcontrolador Atmega 8 posee un conversor análogo digital de 10bits, lo cual nos permite tener 1024 niveles en los cuales se divide los 5 Voltios que alimentan el sistema. Entonces cada nivel digital equivale a: 5V/1024=4.88mV por nivel digital La precisión requerida es de 0.1ºC que equivale a 10mV luego de la etapa de amplificación, entonces el delta de variación positivo y negativo, es de 10mV cada uno, esto expresado en niveles digitales equivale a aproximadamente 2 niveles. La lógica para esta etapa del sistema consiste en poder comparar el nivel de voltaje calibrado en la entrada de referencia y el nivel de voltaje que arroja el sensor lm35. El programa se realiza usando el Software Bascom AVR, y es la siguiente: $regfile = "m8def.dat" $crystal = 1000000 Dim V1 As Bit Dim W0 As Word Dim W1 As Word Dim Error As Long Dim L1 As Long Dim L2 As Long Config Portb = Output Config Adc = Single , Prescaler = Auto L1 = 2 L2 = -2 Config Timer1 = Timer , Prescale = 64 Tcnt1l = &H00 Tcnt1h = &H00 Portb.7 = 0 Portb.0 = 0 On Compare1a Tiempo Enable Interrupts Enable Compare1a

Do V1 = 1 Loop End Tiempo: Tcnt1l = &HOO Tcnt1h = &H00 Start Adc W0 = Getadc(0) W1 = Getadc(1) Stop Adc Error = W0 - W1 If W0 >= 960 Then Portb.0 = 1 Portb.7 = 0 Else Portb.0 = 0 If Error >= L1 Then Portb.7 = 0 Elseif Error <= L2 Then

Ocr1ah = &H1E Ocr1al = &H85

Portb.7 = 1 Else Portb.7 = Portb.7 End If End If

Tcnt0 = 0

Return


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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos Descripción del programa La primera parte del programa esta referida a la declaración del tipo de microcontrolador a usar, asi como la frecuencia de trabajo del cristal dicho microcontrolador escogido. Para nuestro caso se eligió el microcontrolador Atmega 8, cuya sintaxis es: $regfile = "m8def.dat" $crystal = 1000000

La siguiente parte comprende la declaración de los tipos de variables y sus dimensiones como son:

Dim V1 As Bit Dim W0 As Word Dim W1 As Word Dim Error As Long Dim L1 As Long Dim L2 As Long

Seguidamente se configuran los puertos y pines a utilizar, para nuestro caso se utilizan: el puerto B, el conversor análogo digital y el timer. Config Portb = Output Config Adc = Single , Prescaler = Auto

El control de la temperatura se realiza a través de un ciclo de histéresis, el rango de variación medido en unidades de temperatura tiene una precisión es de 0.1ºC que es equivalente a 0.015V, la cual tiene un equivalente en nivel de voltaje correspondiente a 15mV lo cual equivale a 3 niveles de voltaje. L1 = 2 L2 = -2 Config Timer1 = Timer , Prescale = 64 'Registros contadores de pulsos de reloj Tcnt1l = &H00 Tcnt1h = &H00 Portb.7 = 0 Portb.0 = 0

'Registro bajo del contador 'Registro Alto del contador 'Estado inicial a cero , señal de potencia 'Estado inicial a cero , señal de alarma


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On Compare1a Tiempo Enable Interrupts Enable Compare1a

'Inicia la comparación.

'Datos para el registro 0CR1a se llena 7813 en hexadecimal=H1E85 'se ha modificado para un 0.5 segundo. Ocr1ah = &H1E Ocr1al = &H85 Tcnt0 = 0 'compare1a realiza la comparación entre 2 registros, el Ocria y el registro 'Tcnt el cual tiene como valor inicial 0, y luego se incrementa hasta ser igual que el 'valor del registro Ocria (Tcnt = Ocria), con lo cual se genera la interrupción y se 'ejecuta la función Tiempo. Con esto aseguramos que la función Tiempo se genere cada '0.5s 'Lazo de espera hasta que ocurra una interrupción, el programa estará en este loop, hasta 'la interrupción. Do V1 = 1 Loop End 'Fin del programa

'Función en la interrupción: Tiempo: Tcnt1l = &HOO Tcnt1h = &H00 'pone el registro Tcnt a cero, para que se genere el proceso nuevamente. Start Adc W0 = Getadc(0) (Adc0) W1 = Getadc(1) (Adc1)

' se asigna a la variable W0 el valor de la entrada PC0 ' se asigna a la variable W1 el valor de la entrada PC1

Stop Adc Laboratorio de Ingeniería de Control I Semestre 2010 - I Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica Universidad Nacional Mayor de San Marcos

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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos Error = W0 - W1 referencia If W0 >= 960 Then Portb.0 = 1 Portb.7 = 0 Else Portb.0 = 0 If Error >= L1 Then foco se apaga Portb.7 = 0 Elseif Error <= L2 Then foco se enciende

'Diferencia entre el voltaje de sensor y el voltaje de 'señal de alarma, 960 equivale a 4.7V en la entrada. ' activo la señal de alarma 'Si temperatura del sensor es mayor a la referencia el 'Si temperatura del sensor es menor a la referencia el

Portb.7 = 1 Else Portb.7 = Portb.7 'En caso el delta se encuentra dentro del margen <-3:3> entonces la salida mantendrá su estado anterior End If End If Return


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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos ETAPA DE POTENCIA Tiene una etapa que consta de un optoacoplador, el optoacoplador usado fue el MOC3041 de cruce por cero que dispara a un triac BT136. Antes de explicar el funcionamiento de la etapa de potencia del proyecto, explicaremos como funciona el triac y el moc. El tiristor es un componente de 3 terminales, anodo (A), catodo (K) y una compuerta de control (G). El tiristor o SCR es un dispositivo rectificador unidireccional como un diodo esto significa que deja circular la corriente en un solo sentido, es decir conduce la corriente eléctrica continua de A hacia K pero con la diferencia de que además de tener el estado de “conducción - on” también puede tener un estado de “no conducción – off” y esto se controla si es que el voltaje entre la compuerta (G) y el catodo (K) es el adecuado, si es el voltaje es el adecuado entonces el tiristor o SCR conducirá de A hacia K. Pero lo que usamos en el proyecto fue un TRIAC, es decir un triac no es mas que un tiristor pero que funciona en corriente alterna. El TRIAC es un tiristor bidireccional usado en circuitos de AC. Los terminales de un TRIAC ya no son anodo (A) ni catodo (K) sino que ahora cambian de denominación llamándose (Main Terminal – MT1) “Terminal principal 1” y (Main Terminal – MT2) “Terminal principal 2” y el electrodo de compuerta llamado “puerta – G”. Si el voltaje entre la compuerta y el Terminal principal 1 es positivo en el primer semiciclo de corriente alterna, entonces el TRIAC conducirá desde MT2 hacia MT1, por el contrario si en el otro semiciclo de corriente alterna el voltaje entre la compuerta de el Terminal principal 1 es negativo el TRIAC conducirá en sentido contrario desde el terminal MT1 hacia MT2. Simbología:

Configuración de Pines:


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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos Esquema Básico: U1 TRIAC

MT2

MT1

L1

V1 VSINE

R1

220V

330

Un MOC es un optoacoplador. Un Optoacoplador combina internamiente un dispositivo semiconductor que hace la función de fotoemisor y un fotorreceptor de cualquier tipo y entre los dos dispositivos existen un camino por donde se transmite la luz. Según lo usado en el proyecto, es un MOC3041 y dentro de su encapsulado tiene un led infrarrojo (IR) y un triac de cruce por cero con la finalidad de aislar el circuito de control con el circuito de potencia o carga. Configuración de Pines:


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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA Universidad Nacional Mayor de San Marcos Esquema de la etapa de potencia del proyecto: D1(A)

D1 1N4148

R7

U4 1

6

1k

R8

(+)

330 2 Zero Crossing

U5

4

TRIAC

MOC3041M

R9 330

L1

220

Antes de la etapa de entrada del MOC3041 existe un circuito limitador para asegurar de que la entrada reciba el voltaje y la corriente adecuada. Leyendo el datasheet del MOC3041 nos damos cuenta que el diodo IR interno del MOC3041 puede soportar hasta 15 mA como máximo. Entonces: 5 − 0.7 R

= 15mA

Entonces R debe ser mayor o igual a 953 Ω , por lo que usamos en el proyecto una resistencia de 1K Ω . Las resistencias de 330 Ω fueron colocadas en el circuito ya que teníamos la referencia de la hoja de datos del MOC3041. La ventaja que deja este circuito con el MOC3041 hace que se aisle eléctricamente los circuitos de entrada y salida del encapsulado. El fotoemisor que tiene internamente el MOC3041 es un diodo que emite rayos infrarrojos y el fotoreceptor que hay dentro del encapsulado es un tiristor para corriente alterna osea un TRIAC. Esquema de Bloques:

CONCLUSIONES Laboratorio de Ingeniería de Control I Semestre 2010 - I Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica Universidad Nacional Mayor de San Marcos

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El funcionamiento del sensor LM35 es lineal, es decir cada 10mV equivale a 1 C el cual transforma la temperatura censada en un voltaje directamente proporcional, y esto nos servirá como voltaje que arroja en sensor, luego implementamos un circuito amplificador de volateje con ganancia de 10 para poder tener mayor precisión cuando queremos regular la temperatura. Por otro lado en la etapa de entrada-referencia se uso un divisor de voltaje, el cual tenía como medidas máximas y mínimas de voltaje las requeridas para nuestro circuito controlador. 0

El microcontrolador atmega8 tiene 3 puertos (B C D), los cuales pueden ser usados como entrada o salida de manera independiente ya que depende de que forma lo designemos al momento de programar, el puerto C posee 6 entradas para conversores análogo digitales a 10 bits, en el puerto D se encuentran los pines RX, TX para la comunicación serial en caso de que necesitemos grabar. El atmega8 trabaja con un voltaje de operación de 2.7 a 5.5V, tomando como voltaje máximo de operación de 5V por seguridad. Como la entrada se decodifica en 10 bits esto indica que los 5V es equivalente a 1111111111 o 1023 en decimal, por este motivo se configura para que la entrada y la entrada de referencia no sobrepasen los 5v, de manera paralela se coloco una señal de alarma cuando en la entrada se detecte una señal mayor a 4.7 V por seguridad

BIBLIOGRAFIA BASCOM-AVR user manual. Ingeniería de control moderna - Prentice Hall (Ogatta). Aplicaciones Electrónicas con Microcontroladores - Lenguaje Basic – Bascom AVR .

http://www.datasheetarchive.com/ATM8-datasheet.html http://proyectosfie.webcindario.com


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Informe de Control de Temperatura (2)

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