Regulación de temperatura y ventilación alternada en un cuarto

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Rev Biomed 1997; 8:211-223.
Artículo Original
Regulación de temperatura y
ventilación alternada en un
cuarto para estudios conductuales en ratas, con base a un
microcontrolador RISC.
Francisco J. Heredia-López, José L. Bata-García, Fernando J. Alvarez-Cervera.
Laboratorio de Neurofisiología, Centro de Investigaciones Regionales “Dr. Hideyo Noguchi”, Universidad
Autónoma de Yucatán, Mérida, Yucatán, México
RESUMEN.
Introducción. En neurociencias, es una práctica
común habituar a los animales de laboratorio al
ambiente donde serán estudiados antes de realizar
manipulaciones o aplicar tratamientos en ellos.
Para evitar que variables ambientales afecten los
resultados de las pruebas, es deseable controlar
parámetros tales como los ciclos de luz / oscuridad,
la temperatura y la ventilación dentro del recinto
experimental. En este trabajo presentamos un
sistema basado en un microcontrolador para la
regulación de la temperatura y la ventilación en un
cuarto de experimentación.
Material y métodos. El sistema consta de un
equipo de aire acondicionado, un extractor de aire,
un microcontrolador RISC, el programa que éste
debe ejecutar y los circuitos electrónicos externos.
Estos circuitos incluyen los requeridos para: la
adquisición de la señal de temperatura, la selección
de la temperatura deseada, el acoplamiento con la
red eléctrica, la visualización de datos, el control
del modo de despliegue y la fuente de alimentación.
Resultados. Se muestra el contraste entre registros
de la temperatura ambiental controlada dentro del
cuarto de experimentación y del pasillo exterior del
laboratorio. Para una temperatura programada de
22 °C, se encontró que la temperatura medida en el
cuarto fluctuaba entre 22 y 23.5 °C. Se presenta la
comparación entre el control de temperatura logrado
con el equipo descrito y el que se obtiene con un
equipo convencional para un mismo recinto. Se
confirmó que el acondicionador de aire no arrancara
antes del periodo recomendado de dos minutos de
espera después de haber sido apagado o tras una
falla de energía eléctrica. Se estimó la cantidad de
aire extraída del cuarto, así como el ahorro de
energía obtenidos con el prototipo.
Discusión. La variación encontrada en la
Solicitud de sobretiros: M. en C. Francisco J. Heredia López. Centro de Investigaciones Regionales “Dr. Hideyo Noguchi”, Universidad Autónoma de
Yucatán. Avenida Itzáes Nº 490 x 59, C.P. 97000, Mérida, Yucatán, México. E-mail: [email protected]
Recibido el 16/Julio/1997. Aceptado para publicación el 1/Oct./1997.
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FJ Heredia-López, JL Bata-García, FJ Alvarez-Cervera.
temperatura controlada queda comprendida dentro
del intervalo recomendado para mantener a las
ratas de laboratorio. El control de temperatura
logrado con el sistema desarrollado es tan bueno o
mejor que el asociado al equipo comercial original.
El controlador de temperatura es efectivo, confiable
y de bajo costo ($80 dólares). Tiene las ventajas
adicionales de ahorrar energía y de proteger al
compresor del acondicionador de aire contra
tiempos de reencendido demasiado cortos. Además,
su versatilidad permitiría modificaciones en su
funcionamiento por medio de cambios menores en
los circuitos externos y en el programa.
Palabras clave: regulación de temperatura,
ventilación, habituación, rata, microcontrolador.
SUMMARY.
Temperature regulation and alternating
ventilation in a room for behavioral studies in
rats, based on a RISC microcontroller.
Introduction. In the neurosciences, it is common
practice to habituate laboratory animals to the
environment in which they will be studied before
performing any manipulations or dispensing
treatment to them. To avoid the effects of
environmental variables on the results of the tests,
it is desirable to control such parameters as the
light/dark cycles, temperature, and ventilation within
the experimental setting. In this paper we present a
microcontroller-based system for the regulation of
temperature and ventilation in an experimental
room.
Materials and methods. The system consists of an
air conditioning unit, an air extractor, a RISC
microcontroller, the program to be executed by it,
and the external electronic circuitry. These circuits
include those required for the acquisition of the
temperature signal, the selection of the desired
temperature, the coupling with the power line, the
display unit, the display mode control, and the
power source .
Results. The ambient temperature records of the
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experimental room and that of the external corridor
of the laboratory are contrasted. For a programmed
temperature of 22°C, it was found that the measured
temperature in the room fluctuated between 22 and
23.5°C. The comparison between the temperature
control achieved with the described device and that
obtained with a conventional equipment for the
same room is presented. It was confirmed that the
air conditioner did not start before the recommended
two-minute standby period after having been turned
off or after a power failure. The amount of air
extracted from the room, as well as the energy
savings obtained with the prototype were estimated.
Discussion. The variation detected in the controlled
temperature is within the recommended range for
keeping rats in the laboratory. The temperature
control attained with the developed system is as
good as or better than that associated with the
original commercial equipment. The developed
system is effective, reliable, and of low cost ($80
dollars). It has the additional advantages of energy
saving and of protecting the air conditioner
compressor against undesirably short restarting
times. Besides, its versatility would allow for
modifications in its operation through minor changes
in the external circuits and in the program.
Key words: temperature regulation, ventilation,
habituation, rat, microcontroller.
INTRODUCCIÓN.
Dentro del campo de la investigación en
neurociencias, es común realizar experimentos en
animales orientados al estudio de los efectos que
algunos fármacos tienen sobre el sistema locomotor.
Para ello, usualmente se emplean ratas, las cuales
previamente han sido adaptadas a un ambiente (por
ejemplo, un cuarto cerrado) en el cual la temperatura,
la concentración de gases y los ciclos de luz/
oscuridad, entre otras variables, puedan ser
controlados de forma constante. Esto se hace con
el fin de lograr que antes de iniciar los tratamientos
el animal se familiarice con el entorno y desarrolle
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Temperatura y ventilación en un cuarto de experimentación.
una conducta considerada como normal (1). Desde
luego que otras variables como la alimentación, los
estímulos sensoriales externos tales como ruidos,
presencia de personas, etc., deben ser también
cuidadosamente reguladas. Así, una vez colocado
el animal en un espacio experimental (una caja o
jaula) y después de un periodo de familiarización,
éste debe presentar una conducta motora de
exploración propia de su especie. Dicho
comportamiento puede ser usado como control o
referencia al estudiar nuevamente su conducta tras
aplicarle fármacos que se espera tengan algún
efecto sobre ésta.
Se ha reportado que la exposición de animales
no adaptados a temperaturas por arriba de 29.4°C
o por abajo de 4.4°C, podría dar lugar a efectos
clínicos de consecuencias fatales (2). Empleando
diversos mecanismos conductuales, fisiológicos y
morfológicos, los animales pueden adaptarse a
temperaturas extremas. Sin embargo, esta
adaptación lleva tiempo y el proceso podría afectar
los resultados de los protocolos experimentales
propuestos (3). La temperatura recomendada para
ratas de laboratorio es de entre 18ºC y 26°C (4,5).
En el Laboratorio de Neurofisiología del
Centro de Investigaciones de la Universidad
Autónoma de Yucatán en Mérida, Yucatán, México,
se cuenta con un cuarto dedicado para estudios
conductuales en ratas. Debido a las condiciones
climáticas extremosas de nuestro medio los animales
deben ser mantenidos en cuartos con temperatura
controlada, para su propio bienestar y con el
propósito de que, al realizar estudios conductuales,
los resultados no se vean afectados por variables
ambientales.
En lugares tropicales el control artificial de
temperatura generalmente se hace con un
acondicionador de aire estándar. Idealmente, para
los estudios conductuales, se requeriría que éste
permaneciera encendido las 24 horas del día. Sin
embargo, debido al deterioro gradual del equipo y
al aumento de la posibilidad de falla por uso continuo,
así como al alto consumo de energía, esto no es
recomendable. Mas aún, este tipo de climatizadores
está dotado de un termostato mecánico poco
sensible. Aunada a su operación normal se presenta
una inercia térmica indeseable. Por estas razones,
se optó por el diseño de un sistema electrónico que
controlara el encendido y apagado total del
acondicionador de aire con base a los cambios de
temperatura detectados en el interior del cuarto.
Adicionalmente, en el diseño del sistema de control
se debería de tomar en cuenta el hecho de que un
equipo acondicionador de aire, después de ser
apagado, requiere de un retardo de al menos dos
minutos antes de ser puesto en funcionamiento
nuevamente. Esto obedece al hecho de que después
de estar en funcionamiento el equipo, existe una
presión alta en el circuito del gas refrigerante, y el
volver a encender el equipo inmediatamente haría
que se sumara a esta presión elevada, la presión
añadida por el funcionamiento del compresor. El
retardo, entonces, permite que la presión remanente
descienda gradualmente y se eviten daños en el
compresor, o bien, la aparición de fugas. Además
de la desconexión del equipo de aire acondicionado
debida a la operación normal del sistema de control
de temperatura, se debe prever que el aparato
también se apagará cada vez que se presente una
falla en el suministro de energía eléctrica, lo cual es
frecuente en la localidad, particularmente, en la
época de lluvias.
Otro factor que puede ser controlado con
relativa facilidad es el de la ventilación. Las razones
para una ventilación adecuada son múltiples:
proporcionar una cantidad apropiada de oxígeno,
eliminar cargas térmicas debidas a la respiración de
los animales, a las luces y al equipo, reducir la
concentración de gases y partículas contaminantes
suspendidas en el aire y ajustar la humedad ambiental.
Por ejemplo, se ha reportado que el amoníaco
ambiental juega un papel en ciertas infecciones
respiratorias que presentan las ratas de laboratorio
(6,7). Una manera de conseguir una ventilación
conveniente es por medio de un extractor de aire.
Sin embargo, para un cuarto en el que se esté
controlando la temperatura por medio de un
acondicionador de aire, no es deseable que se use
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un extractor de aire de forma ininterrumpida. En tal
caso, el extractor continuamente estaría extrayendo
el aire frío introducido al cuarto por el
acondicionador, y sería difícil mantener una
temperatura constante.
Para esta aplicación de control ambiental se
optó por un diseño basado en un microcontrolador.
Un microcontrolador es un circuito electrónico
integrado que incluye un microprocesador (similar
al que poseen las computadoras), más otros
elementos tales como una memoria para el programa
a ejecutar, una memoria para datos y otros
periféricos como son los temporizadores (“timers”)
y los circuitos para comunicación en serie (8). El
uso de sistemas basados en microcontroladores se
ha popularizado en los últimos años gracias a las
ventajas técnicas y económicas que se obtienen con
ellos. Entre éstas se puede mencionar la alta
confiabilidad por el uso de un número limitado de
componentes, su bajo costo, y la posibilidad de
poder sustituir circuitos físicos por programas
almacenados en su memoria. Esta última
característica, a su vez, tiene las siguientes
cualidades: la facilidad de realizar cambios en el
sistema y la eliminación de la variabilidad producto
del proceso de fabricación de los componentes
electrónicos. Asimismo, se evita la dependencia
que tienen muchos elementos físicos con la
temperatura y el tiempo de uso.
MATERIAL Y MÉTODOS.
Se determinó que el sistema a desarrollar
debería cumplir con las siguientes especificaciones:
- Medir constantemente la temperatura del
cuarto.
- Mostrar el resultado de dicha medición.
- Permitir la selección de la temperatura
deseada.
- Comparar el valor medido con el valor
deseado.
- Mantener encendido el acondicionador de
aire hasta que se alcance la temperatura
deseada. Una vez que se alcance ésta,
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apagar totalmente el acondicionador y
encender el extractor de aire.
- Introducir un retardo no menor a dos minutos
antes de encender el aire acondicionado
nuevamente.
- Una vez transcurrido el periodo de retardo,
y cuando la temperatura en el cuarto haya
sobrepasado la temperatura deseada, apagar
el extractor de aire y volver a encender el
acondicionador.
- En caso de ocurrir una falla en el suministro
de energía eléctrica, que el sistema sea
capaz de reiniciarse por sí solo, sin perder
los ajustes dados e imponiendo el retardo
de tiempo de cuando menos dos minutos
antes de reconectar el acondicionador de
aire.
Para acatar lo anterior se propuso que la
solución más económica y conveniente era
implementar el sistema con base a un microcontrolador. En nuestro caso, se seleccionó un
microcontrolador tipo RISC (“Reduced Instruction
Set Computer”, o computadora con juego de
instrucciones reducido) de Microchip Technology
Incorporated (Chandler, Arizona). La arquitectura
RISC proporciona una alta velocidad de ejecución
y una eficiencia elevada en la programación. Otras
características deseables de estos dispositivos son
su muy bajo costo, su disponibilidad en el mercado
nacional, la simplicidad para programarlos (amén
de que en el laboratorio ya contamos con un
dispositivo para programar estos microcontroladores) y su capacidad de controlar cargas
de varios miliamperios directamente desde
cualquiera de los puertos de entrada o salida de
datos. Específicamente, elegimos el microcontrolador PIC16C71, ya que incorpora un
convertidor análogo digital (A/D) de 8 bits y cuatro
puertos integrados, además de un “timer”
programable de 8 bits, el cual puede convertirse a
16 bits asignándole un preescalador. También
incluye un oscilador interno excitable con circuitos
RC (resistor-capacitor), con cristales de cuarzo o
con resonadores cerámicos. Asimismo, cuenta con
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Temperatura y ventilación en un cuarto de experimentación.
una memoria para programa de 1 kilobyte del tipo
EPROM (memoria programable sólo para lectura y
cuyo contenido se puede borrar), 36 bytes de
memoria de acceso aleatorio (“Random Access
Memory”, o RAM, por sus siglas en inglés) de uso
general y dos puertos multifuncionales de 8 y 5 bits
capaces de manejar hasta 25 mA de corriente.
Las dimensiones interiores del cuarto de
experimentación son las siguientes: 1.62 m de
frente, 1.82 m de fondo, y 2.53 m de alto. Con base
a estas medidas se determinó que el volumen de aire
3
contenido en el cuarto es de 7.46 m ,
aproximadamente. El cuarto está construido con
bloques de concreto en sus paredes exteriores, con
vigas y bovedillas de concreto en piso y techo, y con
cancel tipo “tabla roca” en las dos paredes interiores.
El cuarto tiene una sola puerta de madera y no tiene
ninguna ventana. Una de las paredes exteriores
mira al oriente y la otra al sur.
El equipo de aire acondicionado empleado es
una unidad de ventana, marca Carrier, modelo S360, con capacidad de 36,000 BTU (unidades
térmicas británicas), y opera a 220 V. La entrada de
aire acondicionado al cuarto de experimentación es
a través de un ducto cuya salida está localizada en
la esquina superior derecha de la pared frontal
(sobre la puerta).
El extractor de aire es de marca SIP, tiene un
diámetro efectivo de 10 cm y trabaja con 110 V. El
flujo de aire que mueve es de aproximadamente 50
CFM (pies cúbicos por minuto). Está instalado en
la esquina superior derecha de una de las dos
paredes exteriores del cuarto de experimentación
(el cuarto tiene dos paredes exteriores que forman
una de las esquinas del laboratorio, y dos paredes
interiores que lo separan del resto del laboratorio).
El extractor está dirigido en dirección perpendicular
a la dirección del aire acondicionado que entra al
cuarto.
Durante los días en que se realizaron las
mediciones de temperatura, en el cuarto habían, en
promedio, ocho ratas con pesos entre 200 y 300 g.
No había ninguna otra fuente de calor natural o
artificial, a excepción de una lámpara fluorescente
circular de 22 W, la cual se encendía
automáticamente a las 12 horas del día y se apagaba
a las 24 horas.
El trabajo de diseño y desarrollo consistió
básicamente en lo siguiente:
A) Diseñar los circuito de control.
B) Escribir el programa en lenguaje
ensamblador conteniendo las instrucciones para el
microcontrolador.
A continuación se describe cada una de estas
partes.
A) Con respecto al diseño de los circuitos
tenemos que el sistema desarrollado consta de las
siguientes secciones (figura 1):
1) Sensor de temperatura
2) Amplificador de voltaje de la señal de
temperatura medida.
3) Control de ajuste de temperatura deseada
y memoria temporal.
4) Ajuste de voltaje de referencia para el
convertidor A/D.
5) Dos secciones de optoacoplamiento.
6) Un decodificador y pantallas LED (“Light
Emitting Diode”, o diodo emisor de luz).
7) Microcontrolador.
8) Fuente de alimentación.
1) El sensor de temperatura está constituido
por el transistor Q1, tipo 2N2222, el cual está
conectado como diodo (colector y base unidos).
Este transistor se fijó al extremo de un cable coaxial
para micrófono de aproximadamente 1.5 m de
largo, y la unión se selló usando un cemento epóxico
a fin de proporcionarle aislamiento eléctrico y
rigidez mecánica. Este montaje permite ubicar al
sensor dentro del cuarto de registro en una zona
adecuada.
2) Al polarizar el transistor Q1 circula una
corriente de colector que cuando pasa por el resistor
R3 produce una caída de voltaje de
aproximadamente 2 mV/°C, debido al coeficiente
negativo de temperatura que presenta este
dispositivo activo (9). Dicho voltaje, por ser tan
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Figura 1.- Diagrama esquemático del circuito electrónico del controlador de temperatura y ventilación.
pequeño, es amplificado por U2A, un amplificador
operacional de alimentación única contenido en el
circuito integrado doble LM358 (10), y el cual está
configurado como amplificador no inversor con
una ganancia teórica dada por la siguiente relación
(11):
Vo = (1 + R1 / R2) Vi
(1)
donde: Vo = voltaje de salida (terminal 1 de U2A)
Vi = voltaje de entrada (terminal no inversora de U2A)
Con los valores seleccionados para los
resistores R1 y R2 la ganancia de esta configuración tiene un valor de 2.8. Así, el voltaje de salida,
ya escalado, es menos sensible al ruido eléctrico.
Por otra parte, su valor representa la traslación de
los cambios de temperatura reflejados como variaciones del orden de milivoltios en el colector (y
la base) de Q1 que sumados al voltaje de desbalance
(“offset”), dan lugar a cambios del orden de décimas de voltio a la salida del amplificador (terminal
1). Además de cumplir con la función de amplificación, U2A presenta una baja impedancia de saliRevista Biomédica
da que representa la resistencia de entrada para el
convertidor A/D. El valor de esta resistencia está
por debajo de 10 KW , que es el valor máximo que
permite el circuito del muestreador de dicho convertidor (12). El capacitor C1 se emplea para ayudar a eliminar el ruido a la entrada del amplificador.
Si se grafica la temperatura medida con respecto a la salida de voltaje del amplificador U2A,
se observa que el comportamiento no es precisamente lineal (figura 2). A fin de corregir este problema se les aplicó a los datos una regresión lineal
empleando el programa Origin versión 3.5
(Microcal Software, Inc., Northampton, MA), con
lo cual se obtiene una recta (figura 2). La ecuación de regresión lineal queda como:
V=A+B*T
(2)
donde: V = voltaje; T = temperatura; A, B
parámetros constantes
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Temperatura y ventilación en un cuarto de experimentación.
Figura 2.- Curva de calibración de la temperatura en
función del voltaje medido.
Los valores encontrados para estas constantes fueron:
A = 359.30983 ± 14.09566, y B = -283.88779 ±
12.13933
El coeficiente de correlación correspondiente
resultó ser:
R = -0.99636, p = 0.00002 (n = 6)
A continuación se calcularon y extrapolaron
los valores de voltaje que representaban las distintas temperaturas en un rango de 0 a 255°C.
Se empleó la relación correspondiente a la
función de transferencia del convertidor A/D (5):
D = V / Vref * 256
(3)
donde:
D = dato digital que entrega el convertidor A/D
como resultado de la conversión.
V = voltaje analógico a digitalizar.
Vref = voltaje con respecto al cual el convertidor A/
D hace la conversión.
Tomando en cuenta que el máximo valor de
voltaje que pudiera entregar U2A a su salida sería
de 1.27 V a 0°C, de acuerdo con los datos calculados con el programa Origin, se tomó como voltaje de referencia (Vref) el valor de 1.3V. Con los
datos de voltaje predichos (que representan las temperaturas medidas) y el valor de Vref, se calculó
una nueva lista de valores digitales que representan los valores que el convertidor A/D del
microcontrolador reporta para cada valor de temperatura. Estos valores fueron almacenados permanentemente como una tabla de consulta dentro
de la memoria del microcontrolador. Para asegurar una confiabilidad absoluta en la consulta a tablas, el fabricante recomienda iniciarlas en la primera localidad de un bloque de 256 bytes (por
ejemplo, en la localidad 001, o en la 00B). Dado
que el número de datos en la tabla creada para esta
aplicación en particular era menor a 256, se decidió completar el bloque de memoria con datos irrelevantes. Esto tiene el efecto de marcar todo el bloque como “ocupado”, y evitar así que accidentalmente se pudiera sobreescribir alguna de las localidades comprendidas en él.
3) El divisor de voltaje formado por R4, RV1
y R5 junto con el amplificador U2B en
configuración de seguidor de voltaje, permiten
generar un voltaje variable entre 1.36 V y 0.9 V
que corresponden a un intervalo de temperatura
de 0°C a 103°C. Los valores de los resistores se
determinaron experimentalmente en función de los
voltajes y corrientes de desbalance del amplificador
operacional usado. Nuevamente, además de la
función descrita, U2B sirve como entrada de baja
impedancia al circuito muestreador del convertidor
A/D.
4) Los resistores R10, R11 y el “trimpot”
(resistor variable miniatura) RV2 forman un divisor que permite generar un voltaje de hasta 1.36V,
el cual se envía al microcontrolador donde es usado como referencia.
5) En esta aplicación se controla el encendido
y apagado de un aire acondicionado y de un
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extractor de aire. Estos aparatos operan con
corriente alterna de un voltaje mucho mayor que
los 5 V de corriente directa que emplea el
microcontrolador para trabajar. Por este motivo es
necesario escalar las señales lógicas provenientes
del microcontrolador y, al mismo tiempo, aislarlas
de las corrientes alternas. Esa función la cumplen
los optoacopladores ISO1 e ISO2 (13). Estos
dispositivos tienen a su salida un optotriac
(elemento semiconductor capaz de manejar
corrientes alternas en respuesta a una señal de
control de luz infrarroja). Las señales lógicas
provenientes del microcontrolador, 0 V para un
nivel bajo ó 5 V para un nivel alto, apagan o
encienden, respectivamente, los LEDs infrarrojos
de los optoacopladores a través de R7 y R21. La
presencia o ausencia de luz infrarroja emitida hace
que los optotriacs se enciendan o apaguen en
concordancia. En particular, estos optotriacs
pueden manejar directamente voltajes alternos de
hasta 250 VAC, pero solamente pueden manejar
corrientes alternas de hasta 50 mA. Por esta razón
se hizo necesario el empleo de los triacs Q2 y Q3,
los cuales pueden manejar hasta 400 VAC (voltios
en corriente alterna) y 15 A. Ambos triacs tienen
limitada la corriente de sus compuertas por
resistores (R6 y R22). Q3 activa o desactiva
directamente el motor del extractor de aire, ya que
éste solamente consume 100 mA. El triac Q2 activa
o desactiva la bobina de 127 V de un relevador de
servicio pesado del tipo dos polos un tiro, con
contactos de 240V / 20A. A su vez, son estos
contactos los que controlan la alimentación bifásica
(127 VAC / F1 y 127 VAC / F2) del acondicionador
de aire (AIRE/F1 y AIRE/F2).
6) Se emplean los bits 0 al 5 del puerto B de
8 bits del microcontrolador para desplegar la información de temperatura medida o deseada. Dado
que la información presente en los bits 0 a 3 es
binaria, el circuito U3 (14) se encarga de codificar
esta información para activar los 7 segmentos que
de la pantalla LED de dos dígitos, U4, y mostrar
la información en formato decimal. La corriente
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para cada segmento de la pantalla se limita a aproximadamente 29 mA con los resistores R12 a R18.
En los bits 5 y 6 del puerto B se envía una señal
lógica activa en bajo que permite encender uno u
otro de los transistores Q4 y Q5, con lo cual se
ilumina uno de los dos dígitos de la pantalla a la
vez. De esta manera, el desplegado de los dos
dígitos del valor de temperatura se hace de manera multiplexada y alternante. R19 y R20 limitan la
corriente que llega a las bases de los transistores a
poco más de 1 mA.
7) U1 es un microcontrolador PIC16C71
(8), el cual es excitado por un reloj basado en un
cristal de cuarzo de 4 Mhz y C2 y C3. El puerto B
de ocho bits del microcontrolador se emplea para
desplegar temperaturas usando los bits 0 al 5, para
encender o apagar el extractor (bit 6) y para accionar o apagar el acondicionador de aire (bit 7).
El puerto A de cinco terminales, se configura como
el sitio para la señal de entrada para el valor entregado por el convertidor A/D del microcontrolador.
Así, en la terminal 17 se introduce el voltaje que
representa la temperatura del cuarto (TEMP), en
la terminal 1 el voltaje que representa la temperatura deseada (TEMP SET), en la terminal 2 el voltaje que servirá como referencia al convertidor A/
D y en la terminal 3 un voltaje de control para la
señal a ser desplegada. Si la terminal 3 está a 0
voltios, el valor de la temperatura deseada se convierte a una señal digital y se muestra en la pantalla. Si está a 5 V (a través de R9), se digitaliza y
despliega el valor de la temperatura medida en ese
momento. La selección de la variable a ser
visualizada se hace por medio del interruptor tipo
“push-button” normalmente abierto, SW1. R8 se
emplea para mantener la terminal del “reset”
(reinicio) externo del microcontrolador en estado
no activo y poder usar el circuito interno de “reset”.
8) La fuente de alimentación está constituida por el transformador T1, el puente rectificador
D1, el capacitor C4 y el regulador de voltaje U5.
Éste último dispositivo entrega a su salida 5 V,
voltaje que es empleado para alimentar a todos los
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Temperatura y ventilación en un cuarto de experimentación.
circuitos.
El sistema completo fue montado en una
tarjeta de circuito impreso diseñada y grabada exprofeso en nuestro laboratorio. Posteriormente el
dispositivo fue colocado en una caja de plástico. Se
calibró el sistema de medición de temperatura
usando como referencia un termómetro de mercurio.
B) El programa que dirige el funcionamiento del microcontrolador puede dividirse en las siguientes secciones (figura 3):
1) Programa principal.
2) Subrutina de conteo de tiempo y digitalización
de temperatura deseada.
3) Rutina de interrupción.
1) Dentro del programa principal, como puede apreciarse en la figura, después del inicio los
dos puertos del microcontrolador son programados. En el caso del puerto B se usan sus ocho bits
para controlar el desplegado de la temperatura
medida o deseada y para encender o apagar el acondicionador de aire y el extractor. Para el puerto A,
sus cinco terminales son configuradas como entradas analógicas. De éstas, las terminales 17, 1, y
3 reciben el voltaje que representa la temperatura
medida, la temperatura deseada y, y el voltaje que
indicará la señal a ser desplegada y digitalizada,
respectivamente. La terminal 2 en la configuración empleada recibe el voltaje a ser empleado
como referencia por el convertidor A/D.
Como paso subsecuente a la inicialización de
los puertos, el “timer” interno del microcontrolador
es programado para interrumpir el programa principal cada 200 ms. Por otro lado, las señales de
control del acondicionador del aire y del extractor
Figura 3.- Diagramas de flujo para las tres secciones del programa del microcontrolador.
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asumen el valor de “apagado”.
La siguiente sección del programa principal
es un ciclo en el cual inicialmente se llama a la
subrutina de conteo de tiempo para generar un
retardo de un minuto. Transcurrido este tiempo se
compara la temperatura medida con la deseada y se
decide si se apaga el extractor o si se enciende el
extractor y se apaga el acondicionador de aire. Si
este último evento se da, entonces el conteo de
tiempo es reiniciado ya que el acondicionador de
aire no debe ser encendido antes de que transcurran
al menos tres minutos después de que se apagó, con
el fin de evitarle daños al compresor. Este ciclo de
un minuto se repite dos veces más para completar
un retardo de 3 minutos, y es entonces cuando se
comparan nuevamente las temperaturas y se decide
si se enciende o apaga el acondicionador de aire.
Con esto el ciclo se completa y se reinicia
nuevamente.
2) La subrutina de conteo de tiempo y
digitalización de la temperatura deseada, genera,
por un lado, un retardo de tiempo de un minuto
empleado por la rutina principal. Además, si ya
transcurrieron 50 ms desde la última operación del
convertidor A/D, se digitaliza el valor de temperatura deseada y se guarda. Esto se hace con el fin
de que, en caso de una falla en la alimentación eléctrica, al reinicializarse de manera automática el sistema cargue nuevamente en memoria el valor de
temperatura deseada.
3) La rutina de interrupción, se ejecuta cada
200 ms (al darse la interrupción del “timer”), o bien,
cada 100 ms (al darse la interrupción del convertidor A/D), e incluye varias tareas. La primera es la
de guardar los estados previos del registro de estados y del acumulador del microcontrolador. Seguidamente se determina cuál de las dos fuentes
mencionadas generó la interrupción. En el caso de
que haya sido el “timer”, la información de temperatura es desplegada, un dígito a la vez, y de manera alterna. Si la solicitud de interrupción proviene del convertidor A/D, se revisa si ya transcurrieRevista Biomédica
ron 100 ms desde la última conversión. En caso
afirmativo, el convertidor es puesto a realizar otra
operación, previamente verificando el estado del
bit 4 del puerto A para decidir si se digitaliza la
señal de temperatura deseada, o bien, la de temperatura medida, y se concluye la rutina de interrupción. Si aún no ha transcurrido ese tiempo, simplemente se da por terminada la interrupción. Por
otra parte, si la interrupción la generó el convertidor A/D, el dato digitalizado es guardado en su
variable correspondiente, el contador de tiempo de
100 ms es reiniciado y termina la interrupción.
En cualquier caso, antes de la conclusión de la interrupción, los valores originales del registro de
estados y del acumulador son recuperados y el
control del programa es regresado al punto donde
se detectó la interrupción.
Para evaluar el funcionamiento de la función
de control de la temperatura, se realizaron
mediciones en el cuarto de experimentación y en el
pasillo exterior del laboratorio en varios días
consecutivos de la temporada de verano, y durante
el mismo horario. El pasillo no cuenta con clima
artificial. Las lecturas de temperatura fueron hechas
de manera casi simultánea y con la ayuda de dos
termómetros de bulbo seco, con una resolución de
1°C en ambos. Los valores fraccionarios leídos
fueron aproximadas al entero más próximo.
Previamente se habían realizado mediciones con
los dos termómetros en un mismo lugar para
determinar si existía alguna diferencia entre sus
lecturas. Como este fue el caso, se hicieron los
ajustes correspondientes, tomando las lecturas de
uno de ellos como referencia (Taylor Instrument,
México; Nº Cat. 6333-G, rango -20+150 °C, división
1°C).
RESULTADOS.
Se verificó que el programa escrito para
definir el funcionamiento del microcontrolador
prendiera el equipo de aire acondicionado siempre
que se cumplieran las condiciones siguientes:
221
Temperatura y ventilación en un cuarto de experimentación.
a) Que después de encender el equipo por
primera vez, o tras un corte energía eléctrica, transcurriera un retardo de tres minutos, y
b) Que la temperatura del cuarto excediera
la temperatura deseada.
Además, se comprobó que luego de un corte de energía eléctrica, la temperatura deseada que
se hubiera programado previamente, fuera recuperada de manera automática.
La comparación de la temperatura en el cuarto de experimentación con respecto a la temperatura en el pasillo exterior del laboratorio se ilustra
en la figura 4. La fluctuación de la temperatura
fue igual o menor a 1.5°C sobre la temperatura
deseada de 22°C, y nunca menor a ella.
En la figura 5 se compara la regulación en
temperatura lograda por el sistema desarrollado
con respecto a la del equipo comercial controlado
únicamente por su termostato. Puede observarse
que las variaciones a corto y largo plazo son menores en el equipo desarrollado.
Con base al flujo nominal de aire del
extractor, al tiempo promedio de encendido del
mismo y al volumen total de aire contenido en el
cuarto de experimentación, se determinó que con el
sistema desarrollado en funcionamiento se
3
recambian 0.8 m de aire en 24 horas, o sea,
aproximadamente el 10 % del volumen total del
cuarto. Naturalmente que para obtener el valor
total de la recirculación de aire habría que añadir la
que resulta del volumen de aire que se forza hacia
afuera del cuarto debido al aire que introduce el
ventilador del acondicionador de aire, y a que el
cuarto no es hermético.
El equipo comercial mantuvo encendidos el
compresor y el ventilador durante el 92% del
tiempo para las condiciones experimentales
establecidas. El resto del tiempo (8%) funcionó
únicamente el ventilador. Por otra parte, con el
regulador de temperatura el compresor y el
ventilador estuvieron encendidos simultáneamente
durante el 79% del tiempo, el extractor funcionó el
Figura 4.- Comportamiento de la temperatura regulada en el interior del cuarto de experimentación y de la
temperatura no regulada en el pasillo exterior del laboratorio. Cada punto de la gráfica se obtuvo del promedio de
3 mediciones obtenidas en días diferentes. Las barras representan las desviaciones estándar correspondientes. La
temperatura programada fue de 22°C.
Vol. 8/No. 4/Octubre-Diciembre, 1997
222
FJ Heredia-López, JL Bata-García, FJ Alvarez-Cervera.
Figura 5.- Comportamiento de la temperatura en un mismo recinto, controlada por un acondicionador de aire
comercial sin modificación o con el mismo equipo pero asociado al regulador descrito. Cada punto representa el
promedio de 3 mediciones obtenidas en días diferentes. En este caso, las barras de error corresponden al error
estándar de la media. Para facilitar la identificación de las series se usaron las barras con extremos más anchos
para los valores obtenidos con el equipo comercial intacto. La temperatura programada en este caso también fue
de 22 °C.
6% del tiempo, y el sistema estuvo completamente
apagado durante el 15% del tiempo. Para el equipo
utilizado, es razonable estimar que el consumo del
compresor será unas 10 veces mayor que el del
ventilador, y el de éste, a su vez, 10 veces superior
al del extractor de aire. Esto implica que el sistema
desarrollado brindaría un ahorro de energía de
aproximadamente 17% con respecto al consumo
del equipo comercial sin modificación.
DISCUSIÓN.
Las diferencias de temperatura entre los valores deseado y medido quedaron comprendidas
dentro del intervalo recomendado de 18 a 26°C
(4). Como puede observarse en la figura 5, el control de la temperatura con el sistema desarrollado
es superior al del equipo comercial operando con
su termostato. La ventilación alternante permitió
una recirculación del aire en el cuarto de experimentación, con la consiguiente eliminación de caRevista Biomédica
lor, malos olores, gases y partículas. Además, el
funcionamiento del extractor de aire de manera
intermitente no interfirió con la función de control
de la temperatura.
La unidad de control y visualización es de
muy fácil operación, ya que sólo cuenta con dos
controles. Uno para seleccionar la variable a desplegar (deseada o medida), y otro para ajustar el
valor de la temperatura deseada. El indicador de
temperatura muestra un número de dos dígitos que
representa el valor de la temperatura deseada o
medida, según sea el caso.
El sistema desarrollado representó una solución rápida, de bajo costo y altamente confiable
para solucionar los problemas de control de temperatura y extracción de aire para el cuarto de habituación en consideración. El costo del sistema
de control desarrollado fue de aproximadamente
$600.00 pesos mexicanos, sin incluir el costo del
acondicionador de aire estándar tipo ventana ni del
extractor de aire, que ya existían. Esta cantidad
223
Temperatura y ventilación en un cuarto de experimentación.
está muy por debajo del correspondiente a unidades acondicionadoras de aire más modernas equipadas con controles electrónicos de temperatura,
las cuales tienen un costo con respecto a una unidad estándar de dos a tres veces mayor.
El uso del microcontrolador permite una
enorme versatilidad ya que se pueden implementar
cambios en los parámetros de control a través de
modificaciones o rutinas adicionales en el programa, requiriéndose de alteraciones mínimas o nulas
en los circuitos desarrollados.
Una cualidad más de este sistema es la de
asegurar que el compresor del acondicionador de
aire no se reencenderá antes de transcurrido el intervalo recomendado de dos minutos. Esta situación de posible riesgo para el compresor se da,
por ejemplo, en los casos de interrupciones
involuntarias breves en el suministro eléctrico.
Finalmente, el uso del controlador de temperatura tiene la ventaja adicional de ahorrar energía eléctrica, puesto que al alcanzarse la temperatura deseada la desconexión del acondicionador de
aire es completa, reduciéndose a cero el consumo
eléctrico del equipo. Esta característica de autoapagado total no es común en los equipos comerciales. Por otra parte, el consumo adicional debido al extractor de aire es despreciable (aproximadamente una milésima parte del consumo del acondicionador de aire funcionando en el modo de enfriar).
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AGRADECIMIENTOS.
Al Dr. Fernando Puerto Manzano, por el apoyo brindado para lograr la consecución de este trabajo. Al Dr. José
Luis Góngora Alfaro por su valiosa colaboración, por sus
útiles comentarios y por la revisión del manuscrito.
13.- Motorola, Inc. Optoelectronics Device Data. Phoenix,
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