Laboratorio de Control Digital Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado Tema
2.1. Discretización de sistemas continuos Objetivos
El alumno comprobará experimentalmente el funcionamiento de un convertidor analógico digital que emplea el método de conversión de a proximaciones sucesivas. El alumno realizará la programación del microcontrolador PIC16F690 para hacer uso del módulo de conversión analógico digital. El alumno construirá una interfaz para medir temperatura, empleando el microcontrolador PIC16F690, el sensor de temperatura LM35D y una pantalla LCD para mostrar el resultado de la conversión analógica digital en diferentes escalas de temperatura.
Introducción
Los convertidores analógico digitales (CAD), emplean varios métodos de conversión que presentan diferentes características: velocidad, precisión, rango de voltaje de entrada, número de bits, rango de cuantización y algunas otras. La selección del tipo de convertidor analógico digital para una cierta aplicación, depende de muchos factores que hay que determinar a partir del sistema físico. En esta práctica se comprobará el funcionamiento del módulo del convertidor analógico digital del PIC16F690 y se implementará un circuito para medir temperatura. La señal de temperatura que se va a medir debe registrarse a través de un transductor (sensor de temperatura), el cual transforma la temperatura del sensor a un voltaje directamente proporcional y después, a través de un acondicionador de señal se ajustan las características eléctricas (nivel de voltaje, corriente, impedancia, etc.), para poder procesar la información analógica y convertirla a un código binario. Este proceso se representa en la figura 3.1.
Señal Analógica (Voltaje)
Temperatura
Sistema Físico
Señal Acondicionada (Voltaje)
Transductor (Sensor
Acondicionador
Convertidor
de Temperatura)
de Señal
Analógico Digital
Señal Digital (Código Binario)
Figura 3.1
El circuito transductor utilizado es el sensor de temperatura LM35D que tiene un factor de escala de 10mV / °C y que acepta un rango de voltaje de alimentación +Vs desde 4V hasta 20V. En la figura 3.2 se muestra su representación esquemática y su diagrama de conexión con vista inferior. El proceso de conversión se realizará a través del módulo del convertidor analógico digital que viene integrado dentro del PIC16F690 el cual utiliza el método de conversión de aproximaciones sucesivas, proporcionando un código binario de salida en formato de 8 o 10 bits, seleccionado mediante programación, que representa la conversión del voltaje analógico de entrada. Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado
En esta práctica el valor de salida será convertido a diferentes escalas de temperatura a través del software del microcontrolador y se mostrará en una pantalla de cristal líquido (LCD) controlada por el microcontrolador.
Figura 3.2
El sensor propuesto LM35D puede medir temperaturas de 0 C hasta 100C, por lo que se tendrá un rango de voltaje de 0V a 1000mV. Debido a que el convertidor se empleará con un voltaje de referencia máximo de 5V entonces se requiere que la señal de salida del sensor se amplifique 5 veces para obtener un rango de 0V a 5V, lo que nos dará un código binario de salida del convertidor de 00 0000 0000 a 11 1111 1111 (0 a 1023) de acuerdo a las siguiente relación: = Av ∙ k ∙ T
Dónde: V in – Voltaje de entrada al convertidor analógico digital del PIC. Av – Ganancia de voltaje del amplificador, en este caso Av = 5 k – Constante de conversión del sensor de temperatura, para el sensor empleado k = 10 mV/°C T – Temperatura a medir en °C. Material
1 Microcontrolador PIC16F690 1 LM35D Sensor de temperatura de precisión 1 LM358 Amplificador operacional de baja potencia 1 Transistor TIP 31 1 Tira de 16 conectores rectos (headers rectos) 1 Pantalla LCD de 16x2 (JHD-162A) 1 Resistencia de 82 a ½ W. 2 Resistencia de 1 K a ½ W. 1 Resistencia de 10 K a ½ W. 1 Resistencia de 39 K a ½ W. 1 Resistencia de 100 a ½ W. 1 Potenciómetro de 5 K 1 Capacitor de 1 F 1 Push Button normalmente abierto 1 motor de CD (ventilador) de 12V Equipo
1 Fuente de voltaje bipolar 1 Generador de funciones 1 Multímetro 1 Osciloscopio
Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado
Actividades previas a la realización de la práctica
1. 2. 3.
4. 5.
El alumno realizará la lectura de la práctica. Con el material mostrado en la figura 3.3 (a), se realizará la soldadura de la tira de conectores rectos o headers rectos a la pantalla LCD, de modo que se tenga lo mostrado en la figura 3.3 (b). El alumno realizará la edición y compilación del código mostrado en la figura 3.4 utilizando el compilador C CCS para microcontroladores PIC, que puede ser descargado de Internet, para programar el microcontrolador PIC16F690. Investigará las equivalencias y formas de conversión entre las siguientes escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine y Réaumur. Realizará la simulación de todos los puntos del desarrollo experimental, usando el archivo con extensión hex que obtuvo al compilar el código.
(a)
(b) Figura 3.3
Procedimiento Experimental
1.
Programe el microcontrolador PIC16F690 con el archivo con extensión hex que se obtuvo al compilar el código de la figura 3.4.
Figura 3.4
Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado
Figura 3.4 (continuación)
Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado
Figura 3.4 (continuación)
2.
3. 4. 5.
Implemente el circuito de la figura 3.5 donde la etiqueta V in indica el voltaje analógico de entrada al PIC16F690. El resultado de la conversión de voltaje deberá mostrase en la pantalla LCD como se observa en el ejemplo de la figura 3.6. Varie el potenciómetro P1 para ajustar el nivel de contraste de la pantalla LCD. Mida con el multímetro el voltaje en la salida del potenciómetro P2, el cual representa el voltaje analógico V in que se desea convertir a digital. Varíe el potenciómetro P2 para cambiar el valor de la conversión y completar la tabla 3.1. Para cualquier valor de temperatura superior a 30°C, el ventilador deberá accionarse. Para valores de 30°C o menores, el ventilador deberá permanecer apagado.
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Figura 3.5
Figura 3.6 Ejemplo de visualización en pantalla LCD.
Valor de conversión requerido en decimal ADC 1 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Tabla 3.1
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Vin (V) necesario
6.
Sustituya el potenciómetro P2 por el circuito de la figura 3.7, el cual proporcionará una señal de voltaje directamente proporcional a la temperatura medida por el sensor LM35D con una ganancia Av = 5. Con esta modificación se obtiene un circuito que funciona como un termómetro digital.
Figura 3.7
7.
Sin tocar el sensor de temperatura, registre en la primera posición de la tabla 3.2 los datos mostrados en la pantalla LCD, estos valores corresponden a la temperatura ambiente.
8.
Utilizando el termómetro digital, tome 5 mediciones más de temperatura de diferentes objetos y regístrelas en la tabla 3.2, donde se muestren todos los datos obtenidos .
Objeto Temperatura Ambiente
Valor de conversión
Vin (V)
Temperatura (°C)
Tabla 3.2
9.
Modifique el código mostrado en la figura 3.4 para que el sistema sea capaz de mostrar el dato de temperatura en una de las distintas escalas, de las cuales se realizó una investigación en las actividades previas. La escala mostrada deberá cambiar cada vez que se presione el botón selector que se aprecia en la figura 3.8.
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Figura 3.8
10. Utilizando los mismos 5 objetos del punto 7 del desarrollo, registre las mediciones de temperatura para cada una de las escalas de temperatura que acaba de programar y muéstrelas en la tabla 3.3. Objeto
Celsius (°C)
Fahrenheit (°F)
Kelvin (°K)
Rankine (°R)
Réaumur (°Re)
Tabla 3.3
Cuestionario
1.
2. 3. 4.
Usando los valores de voltaje V in y el código generado de la tabla 3.1, dibuje la curva de cuantización real (Q). Considere que no tiene los 1024 valores y por lo tanto solo se puede hacer una interpolación de valores. Determine el rango de cuantización teórico considerando que la amplitud máxima de la señal de entrada es de 5V. Compruebe los valores digitales de la tabla 3.1 calculando el cociente entre el V in y q. Explique el principio de funcionamiento del actuador electrónico (transistor Q1) necesario para activar al motor de corriente directa conectado en la terminal RA5 del PIC. Compruebe que las mediciones realizadas en las diferentes escalas de la tabla 3.3 concuerdan con los valores teóricos.
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