Universidad Tecnològica de Querètaro

Universidad
Tecnològica de
Querètaro
Firmado digitalmente por Universidad
Tecnològica de Querètaro
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=Universidad Tecnològica de Querètaro,
o=UTEQ, ou=UTEQ, [email protected],
c=MX
Fecha: 2014.07.22 12:18:23 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del Proyecto:
“INSTRUMENTACIÓN DE UN HORNO DE DESHIDRATACIÓN
CONTROLADA”
Empresa:
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA ÁREA
AUTOMATIZACIÓN
Presenta:
SÁNCHEZ SÁNCHEZ ALBERTO
Asesor de la UTEQ
M.en C. Jorge Carlos Guas Noriega
Asesor de la Organización
Dr. Ivo Neftalí Ayala García
Santiago de Querétaro, Qro. Julio del 2014
RESUMEN
En la actualidad el control de procesos es muy importante no solo en el sector
industrial, sino también en lugares como los laboratorios, en donde se trabaja con
ciertos elementos que requieren una supervisión constante o permanente. La
Automatización tiene como objetivos el hacer más simple una tarea, ofrecer un
control autónomo de procesos, y ahorrar recursos humanos y materiales, entre
muchos otros. En el presente trabajo se realizó el acondicionamiento de señales
de cuatro sensores: 2 de humedad, 1 de presión y 1 de temperatura; dichos
sensores se utilizaron para conocer el valor de las variables dentro de un horno
deshidratador de alimentos. La adquisición de datos se realizó con una tarjeta de
adquisición de datos fabricada en la UTEQ. La tarjeta cuenta con comunicación
USB lo que permitió el envío y recepción de datos entre la DAQ y una Pc donde
se puede interactuar con una HMI basada en LabView 2012; entre las opciones
de la interfaz se encuentra la visualización de la información de los sensores, el
control ON-OFF de un calefactor y el almacenaje de la información en un archivo
de texto manipulable en Microsoft Excel.
(Palabras clave: Acondicionamiento de señal, protocolo USB, Instrumento
virtual).
2
DESCRIPTION
I have my internship at UTEQ in an office that belongs to DTAI. I am in this place
with another four students and my supervisor, they are nice people and we get
along well. The office is always clean and illuminated but it is very hot. Diego is
one of my workmates, he is tall and has light brown skin; he has dark brown short
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feel good here.
3
DEDICATORIAS
A mi familia que siempre me brindó su apoyo incondicional, no solo en esta etapa,
sino toda la vida, gracias a ello hoy cumplo una meta más en mi preparación
profesional y en mi preparación para enfrentar los retos de cada día.
Es una dicha y un orgullo el haber llegado a éste momento, no fue fácil el camino,
sin embargo en mi recorrido nunca estuve solo, este logro va dedicado también
los mis amigos que me apoyaron e hicieron de ellos una segunda familia para
mí.
4
AGRADECIMIENTOS
A todas las personas que en mayor o menor medida me ofrecieron su apoyo en
este recorrido.
A los profesores con los que tuve la oportunidad compartir el salón de clase,
aprendí algo de cada uno y me quedo con lo mejor, gracias a su apoyo pude
aprobar todas las asignaturas y salir avante en esta aventura.
A mis compañeros de clase, por haberme compartido experiencias, formas de
trabajo y brindarme su ayuda cuando lo requerí.
A mí familia que fue el motor que me impulso para llegar a la meta y en general
a esta casa de estudios por haberme facilitado los medios para culminar
satisfactoriamente. A todos Gracias.
5
ÍNDICE
RESUMEN .......................................................................................................... 2
DESCRIPTION .................................................................................................... 3
DEDICATORIAS ................................................................................................. 4
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................... 5
ÍNDICE ................................................................................................................ 6
I.
INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 8
II. ANTECEDENTES ......................................................................................... 9
III.
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 10
IV.
OBJETIVOS ............................................................................................ 11
V.
ALCANCE................................................................................................ 12
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS ......................................................................... 14
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA .............................................................. 15
VII.I ¿PARA QUÉ DESHIDRATAR? ............................................................ 15
VII.II ELEMENTOS DE UN DESHIDRATADOR ........................................... 15
VII.III TIPOS DE DESHIDRATADORES ........................................................ 16
VII.IV SENSORES ......................................................................................... 18
VII.V OTROS COMPONENTES ................................................................... 20
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES ........................................................................ 23
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS .............................................. 25
6
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO ........................................................... 28
X.I
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES ............................................. 28
X.II
INTERFAZ DE POTENCIA PARA ACTUADORES .............................. 40
X.III CIRCUITO IMPRESO .......................................................................... 47
X.IV PROGRAMACIÓN ............................................................................... 51
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS .................................................................. 57
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 58
XIII. ANEXOS ................................................................................................. 59
XIV.
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................... 64
7
I.
INTRODUCCIÓN
El presente proyecto contempla desarrollar una tarjeta de adquisición de datos
que permita acondicionar, digitalizar y transmitir mediante protocolo USB los
datos provenientes de cuatro sensores (1 de humedad, 1 de presión y 2 de
temperatura) presentes en un horno de deshidratación.
La importancia del proyecto radica en desarrollar un sistema confiable para el
monitoreo de las variables, donde se ofrezca información precisa que permita
tomar acciones de control sobre las mismas y mantener bajo control el sistema.
El modelo educativo de la Universidad Tecnológica de Querétaro contempla un
30% teoría y un 70% práctica, existe además un periodo llamado “estadía
profesional”, que contempla el 6to. cuatrimestre del programa de TSU; durante
este tiempo los alumnos realizan un proyecto en alguna empresa relacionada con
su área de conocimientos. Es en este periodo donde se desarrolla el presente
proyecto.
8
II.
ANTECEDENTES
Desde hace mucho tiempo el proceso de secado de alimentos como frutos y
semillas ha servido como forma de consumo y conservación. El agua de los
alimentos puede ser retirada por diferentes métodos que pueden ser, las
condiciones ambientales o procesos controlados que involucran calor, aire, frío,
entre otros (Olarte, 2002).
El método que interesa en el presente proyecto es la deshidratación en horno.
Los hornos deshidratadores se pueden encontrar a nivel doméstico, sin embargo
es principalmente en la industria donde tienen mayor presencia ya que algunos
productos como los cereales, yogurts, entre otros contienen fruta y semillas
secas.
El Laboratorio de Alimentos del Centro de Física Aplicada y Tecnología avanzada
(CFATA) de la UNAM realiza investigación aplicada relacionada con el secado
de alimentos a bajas temperaturas. Este laboratorio pidió apoyo a la carrera de
Mecatrónica Área Automatización de la Universidad Tecnológica de Querétaro
para diseñar un sistema de control electrónico y una interfaz gráfica para un horno
de deshidratación desarrollado por esta institución. Antes de entregar el prototipo
a la universidad ya se había realizado un sistema de control, sin embargo éste
resulto inapropiado y no se obtuvieron los resultados deseados. En esta segunda
etapa se pretende rediseñar toda la circuitería de control y potencia, utilizando
elementos de estado sólido, además de adecuar la interfaz gráfica en el software
LabView para facilitar la interpretación de la información.
9
III.
JUSTIFICACIÓN
La importancia del proyecto radica en que el prototipo en el cual se trabaja será
utilizado para realizar una investigación científica sobre las propiedades de los
alimentos deshidratados.
Los resultados obtenidos de dicha investigación pueden ser aplicados en
beneficio de la salud de las personas en general o un sector en especial. Por
ejemplo, actualmente en el laboratorio de Alimentos se estudian las propiedades
fisicoquímicas del nopal (en función de su maduración), en el tratamiento
preventivo para evitar la reducción de masa ósea en mujeres adultas.
El proyecto tiene un impacto importante ya que el producto final dará pauta para
comenzar a trabajar en la investigación en el Laboratorio de Alimentos del
CFATA.
10
IV.
OBJETIVOS
Para el presente proyecto se plantean los siguientes objetivos:
A).-
Realizar el acondicionamiento de señal de los sensores de temperatura,
presión y humedad.
B).-
Diseñar la interfaz de potencia para controlar los actuadores.
C).-
Desarrollar el firmware para la adquisición y digitalización de las señales
de los sensores y su envío una computadora a través del puerto USB.
D).-
Adecuar el código existente en LabView para guardar el valor de las
mediciones, así como la hora y fecha de la muestra.
11
V.
ALCANCE
A diferencia de un periodo de estadía ordinario de cuatro meses, el presente
proyecto tiene un tiempo máximo contemplado de dos meses, comenzando el 6
de mayo de 2014 y terminando el 6 de julio de 2014.
El proyecto está limitado a realizar el monitoreo de las variables presentes en el
proceso, no se contempla desarrollar ningún programa de control debido a que
ya existe y solo se harán algunas modificaciones referentes a la presentación de
la información.
La tarea inicial del proyecto es realizar la planeación, aquí se determinan los
recursos materiales, humanos y económicos; así como la duración y los tiempos
de inicio-fin de cada actividad. Para el desarrollo de la actividad se toma como
herramienta de apoyo la gráfica de Gantt donde se indican todas las actividades,
tiempos y su interdependencia. Se determina el costo y viabilidad del proyecto.
Posterior a la planeación se realiza el acondicionamiento de las señales de los
sensores a un estándar de tensión de 0V a 5V por medio de amplificadores
operacionales.
La siguiente tarea es diseñar una interfaz de potencia entre el microcontrolador y
los actuadores presentes en el horno.
Una vez finalizada la interfaz de potencia, se desarrolla un programa en lenguaje
C para que el microcontrolador reciba las señales de los sensores, las convierta
de analógicas a digitales y las envíe por medio de USB a una computadora que
cuenta con LabView. La computadora cuenta ya con un programa de control
12
desarrollado anteriormente que permite recibir los datos provenientes del
microcontrolador, procesarlos y ejecutar instrucciones de control sobre el
microcontrolador por medio de USB, el microcontrolador es la interfaz sensorcomputadora y computadora-actuador. La única modificación al instrumento
virtual en LabView es que permita guardar los valores de una muestra, así como
la fecha y hora de la toma.
La última actividad del proyecto consiste en realizar las pruebas al prototipo,
verificando cada una de las etapas del proceso, desde la adquisición de datos
hasta el control de los actuadores. Se revisa el firmware del microcontrolador
para determinar y corregir posibles fallas en la adquisición, conversión, envío y
recepción de los datos, así mismo el código del instrumento virtual se revisa para
corregir errores en la recepción, envío y almacenamiento de los datos; se verifica
también el estado de los componentes del circuito, el estado de los actuadores y
de los cables de comunicación y alimentación.
13
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS
En todo proyecto existen factores internos y externos que lo pueden afectar, es
importante identificarlos y saber cómo evitarlos o en su defecto, como
controlarlos.
De acuerdo a las características del presente proyecto, el tiempo es el factor con
más influencia. Se cuenta con un plazo de dos meses aproximadamente para
entregar el horno deshidratador, sin embargo se
tiene conocimiento de la
participación en el programa MEXPROTEC del alumno que presenta el proyecto,
por lo tanto aproximadamente cinco días son destinados a realizar actividades
relacionadas con dicho programa, lo que implica que el plazo inicial de ocho
semanas se reduce a siete semanas de trabajo, esto podría significar un retraso
considerable y aun cuando exista una buena planeación pueden presentarse
imprevistos. Es recomendable asignar una tolerancia de uno o dos días a cada
actividad dependiendo de su complejidad.
El diseño e impresión del circuito también representa un riesgo, ya que la falta de
experiencia es la causa por la cual se cometen errores tales como: conexiones
incorrectas (pines incorrectos), omisión de conexiones, cortos circuitos,
soldaduras frías. Es importante revisar el diseño antes y después de impreso,
para detectar y corregir errores y así garantizar un funcionamiento apropiado.
Para el presente trabajo los recursos materiales no representan un riesgo, ya que
en el lugar de trabajo se cuenta con gran parte de las herramientas y los
componentes necesarios.
14
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
VII.I ¿Para qué deshidratar?
El principal propósito de la deshidratación de alimentos es prolongar la
durabilidad de éstos. El objetivo primordial del proceso de deshidratación es
reducir el contenido de humedad del producto a un nivel que limite el crecimiento
microbiano y las reacciones químicas. El aire caliente es usado en muchas
operaciones de secado, por lo que los secadores de aire han estado en uso por
muchos años alrededor del mundo. (Cánovas Barbosa, 1996)
VII.II Elementos de un deshidratador
La configuración básica de un secador consiste en un sistema que genera aire
caliente; el cual puede estar compuesto de un ventilador y una serie de hilos de
resistencias eléctricas de Nicrom (Níquel-Cromo) para generar calor, también se
debe contar con un colector y un alimentador.
Generador de aire: Los secadores deben de contar con un sistema que permita
la entrada de aire a diferentes velocidades, por eso se utilizan ventiladores o
extractores de aire polarizados de manera inversa para funcionar como
generadores de aire.
Calefactor: En calefactores directos el aire es calentado cuando se combina con
gases de combustión de escape. En calefactores indirectos el aire es calentado
a través de placas de resistencias eléctricas.
15
Alimentador: Los más comunes son los transportadores de tornillo, mesas
rotantes y bandejas vibratorias.
Otros componentes que son utilizados en los secadores para verificar el estado
dentro del mismo son: termómetros de mercurio, medidores de presión y
humedad y básculas que detectan la pérdida de agua del alimento.
(Cánovas Barbosa, 1996).
VII.III Tipos de deshidratadores
Secador de Horno: Granos, frutas y vegetales pueden ser procesados usando
este tipo de secador. En la figura 1 se aprecia la configuración que consiste en
una construcción de dos secciones con un piso con ranuras que separa la sección
de secado de la sección de calefacción. El horno cuenta con un quemador para
calentar el aire, un ventilador lleva el aire caliente hacia el piso ranurado donde
se colocan los alimentos. El aire escapa por una sección en la parte posterior de
la sección de secado.
Figura 1. Secador de Horno.
16
Secador de Cabina: Cuenta con una serie de bandejas en donde es colocado el
alimento. Las bandejas se colocan dentro de un compartimento del secador
expuesto al aire caliente. El secador cuenta con un ventilador y una serie de
resistencias a la entrada que permiten generar aire caliente como se muestra en
la figura 2, el cual es llevado a través de la sección de bandejas y escapa por una
sección en parte lateral e inferior del horno.
Figura 2 Secador de cabina.
Secador de Túnel: Se caracteriza por medir más de 24 metros de largo y una
sección rectangular de 4 metros aproximadamente, es una cabina equipada de
rieles para mover cajoneras a lo largo de la cámara de secado como se aprecia
en la figura 3, los rieles pueden tener dos configuraciones: en el mismo sentido
que la corriente de aire o en contra de ésta, en la primera el contacto entre el aire
y el producto es más suave, mientras que en la segunda el contacto es más
fuerte. A excepción de los rieles, éste secador consta de los mismos elementos
que un secador de horno o de cabina, es decir un calefactor y un ventilador.
(Cánovas Barbosa, 1996).
17
Figura 3. Deshidratador de túnel.
VII.IV Sensores
Sensores de humedad: Estos dispositivos están constituidos por una capa de
polímero dieléctrico de un micrón de espesor que absorbe las moléculas de agua
y a través de un electrodo de metal delgado se detecta el cambio de capacitancia,
el cual es proporcional a la humedad relativa presente en el ambiente. La
capacitancia, es una propiedad de los condensadores, ésta rige la relación
existente entre la diferencia de potencial existente entre los electrodos del
capacitor y la carga eléctrica almacenada.
(Ahrens, 2000)
El sensor utilizado en el presente trabajo es el HIH 4010 del fabricante Honywell,
todos los sensores de la serie 4010/4020/4021 miden humedad relativa y tienen
una señal de salida en tensión casi lineal. El elemento sensitivo multicapa provee
una excelente resistencia a la mayoría de los riesgos, tales como humedad,
18
polvo, suciedad, aceites y químicos comunes en el ambiente. Este dispositivo
tiene potenciales aplicaciones en equipos de refrigeración, en equipos de
calefacción, ventilación y aire acondicionado, equipo médico y de metrología.
(Honywell International Inc, 2007)
Sensores de presión piezorresistivos: El efecto piezorresistivo consiste en una
variación de resistencia en un semiconductor, causada por una fuerza aplicada.
Los sensores de la serie MPX2010 de Freescale son sensores de silicón
calibrados y compensados en temperatura, miden presión diferencial en un rango
de 0 kPa a 10 kPa y tienen una respuesta lineal. El sensor MPX2010DP es el que
se utiliza en éste trabajo.
(Freescale Semiconductor Inc, 2008)
Sensores de Temperatura: Existe una diversidad de dispositivos capaces de
medir temperatura, termómetros, termopares, termistores, RTD´s, etc. El sensor
utilizado en el proyecto es el LM35 de Texas Instruments, La serie de sensores
LM35 son circuitos integrados de alta precisión, con una salida lineal de tensión
proporcional a la temperatura en grados Celsius. De esta forma el LM35 tiene
una ventaja sobre los sensores lineales calibrados en grados Kelvin. El LM35 no
requiere ninguna calibración externa para proveer exactitudes típicas de ±0.5 en
una habitación y ± ¾ °C en todo el rango de -55°C a 150°C. El dispositivo es
usado con fuentes de alimentación de simple o doble polaridad.
(Texas Instrumens Inc, 2014).
19
VII.V Otros Componentes
Amplificador operacional: Son los componentes utilizados para acondicionar las
señales de los sensores, los de temperatura y el de humedad requieren dos
opamp respectivamente y para el sensor de presión se utilizan tres. Existe una
gran variedad de amplificadores operacionales, el LM358 es el circuito integrado
que se utiliza con todos los sensores y adicionalmente el TLC271 con el sensor
de presión.
El LM358 tiene tres características que lo hacen apropiado para el proyecto.
Cuenta con dos opamp dentro del empaquetado, su tensión de alimentación
puede ser simple, por último tiene un offset de tensión de 2mV que tiene un
impacto negativo muy pequeño en las señales.
El TLC271 es también un circuito que se adapta a las necesidades del proyecto,
es un circuito que contiene un amplificador operacional con un ofset típico de
1.1mV, lo cual significa que su incidencia en la precisión del sensor MPX2010 es
mínima.
Optoaislador: Es un dispositivo que tiene la finalidad de aislar la etapa de potencia
de la de control en un circuito; mediante la emisión de luz infrarroja evita el
contacto entre ambas partes y a su vez activa a un transistor o a un triac para
que actúen como interruptores que enciendan actuadores de corriente alterna o
corriente directa.
En el circuito del horno se utiliza un MOC3011 que es un optoaislador con salida
a triac, es decir sirve para aislar la parte de control de un actuador de corriente
20
alterna, es ideal para esta aplicación ya que tiene un consumo de corriente en el
emisor infrarrojo de 10mA y un aislamiento de 7.5kV, es un circuito barato y fácil
de conseguir.
El TCET1100 es un circuito sumamente barato que tiene salida a transistor, es
decir aísla la parte de control de un actuador de corriente directa; consume
corriente de 10mA y posee un grado de protección clase II, es decir tiene doble
aislamiento contra cortos circuitos.
Transistor: Es un dispositivo semiconductor de tres terminales que puede ser
utilizado como interruptor cuando se encuentra en estado de saturación, la
ventaja sobre un dispositivo mecánico es que la velocidad de conmutación es
mucho mayor, además que el consumo de corriente es menor. El transistor NPN
2N2222 es un transistor capaz de conducir una corriente de colector de hasta
200 mA lo suficiente para soportar una corriente de 10mA que puede pasar por
el led IR de los optoacopladores.
El Transistor BD135 es capaz de soportar una corriente de colector de 1A
suficientes para colocar una carga que consume 350mA. Las características de
ambos dispositivos, así como su precio y disponibilidad hacen que se adapten al
proyecto.
Triac: Es un dispositivo semiconductor de tres terminales que funciona como
interruptor y permite el paso de la corriente en ambos sentidos, es decir puede
utilizarse en aplicaciones de corriente alterna. Cuando se hace pasar una
corriente por la terminal llamada puerta, el dispositivo se convierte en un circuito
21
cerrado. El Triac utilizado es el BT137 con una capacidad de conducción de
corriente máxima de 8A y una tensión máxima de 800VCA. Estas características
hacen que el dispositivo pueda trabajar dentro de los requerimientos
demandados por el actuador. 127VCA y una corriente de 2.5A, además que en
el lugar de trabajo se tiene disponible este dispositivo.
Microcontrolador: Es un circuito integrado digital programable, que cuenta con
una unidad de procesamiento, memorias RAM y ROM, puertos de entrada/salida
y periféricos. Necesita de un programa para ejecutar alguna rutina en específico.
El microcontrolador PIC18F4550 cuenta con una característica que lo distingue
de muchos microcontroladores, la comunicación USB, además de tener 5 puertos
de 8 bits y un convertidor analógico digital de 10 bits.
Trimpot: Son resistores ajustables con una mayor precisión que un potenciómetro
común, es por ello que se utilizan en el diseño para evitar realizar el ajuste
adecuado de los parámetros de éste.
22
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES
A continuación se muestra la lista de tareas a realizar, así como su fecha de inicio y término.
Tabla 1. Plan de Actividades.
Nombre de tarea
Duración
Comienzo
Fin
Planeación del proyecto
5 días
mar 06/05/14
lun 12/05/14
Consultar hoja técnica de sensores
1 día
mar 13/05/14
mar 13/05/14
1
Diseñar acondicionamiento de señal
3 días
mié 14/05/14
vie 16/05/14
2
Seleccionar componentes para el
acondicionamiento
1 día
lun 19/05/14
lun 19/05/14
3
Diseñar etapa de potencia y elegir
componentes
1 día
mar 20/05/14
mar 20/05/14
4
Diseñar PCB
3 días
mié 21/05/14
vie 23/05/14
5
Imprimir y verificar PCB
1 día
lun 26/05/14
lun 26/05/14
6
Soldar componentes
1 día
mar 27/05/14
mar 27/05/14
7
Realizar pruebas al PCB
1 día
mié 28/05/14
mié 28/05/14
8
Realizar programa para uC
5 días
jue 29/05/14
mié 04/06/14
9
Adecuar programa en LabView
5 días
jue 05/06/14
mié 11/06/14
10
Realizar pruebas a todo el sistema
6 días
jue 12/06/14
jue 19/06/14
11
23
Predecesoras
El diagrama de Gantt muestra la secuencia e interdependencia de las actividades de la tabla 1. Ambos esquemas
se realizan utilizando el software Project 2013 de Microsoft.
Tabla 2. Diagrama de Gantt.
24
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
A continuación se muestran las herramientas necesarias para el desarrollo del proyecto. Se toma como base el
tiempo de vida útil de las herramientas, su precio y su tiempo de uso; la fórmula utilizada para calcular los costos
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑒𝑟𝑟𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑎
es la siguiente: (𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑑𝑎(𝑒𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠)) ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜(𝑒𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠).
Tabla 3. Tabla de herramientas.
Herramienta
Cantidad
Precio
PC de escritorio
Cautín de estación
Plancha
LabView (horas)
Programador Mini
prog +
1
1
1
1
1
$
695.00
$
720.00
$
350.00
$ 15,499.00
$
350.00
Horas de
vida
8760
35040
35041
35041
35041
Horas de uso
Costo
240
10
1
240
6
$ 19.04
$
0.21
$
0.01
$ 106.16
$
0.06
Total
25
$ 125.47
Los componentes necesarios para desarrollar el circuito se muestran a
continuación acompañados de su precio unitario, número de piezas y precio total.
Tabla 4. Tabla de componentes.
Componente
Cantidad
Tubo de soldadura
1
$
Precio
23.00
$
Subtotal
23.00
Placa fenólica 10x15cm
1
$
17.00
$
17.00
Metro de alambre 22AWG
Amplificador Operacional
LM358
Resistencias varios valores
1
$
3.00
$
3.00
4
$
5.00
$
20.00
25
$
0.33
$
8.25
Trimpot 100kohm
4
$
14.00
$
56.00
Trimpot 10kohm
5
$
12.00
$
60.00
Dip-switch-4
2
$
6.00
$
12.00
Regulador LM7805
1
$
8.00
$
8.00
Bases DIL 8 pin
1
$
6.00
$
6.00
Base DIL 40 pin
1
$
6.00
$
6.00
Triac BT136
1
$
5.00
$
5.00
MOC3011
1
$
11.00
$
11.00
Optoacoplador TCET1100
1
$
3.50
$
3.50
Transistor TIP120
2
$
14.00
$
28.00
Clema 3 terminales
1
$
3.00
$
3.00
Clema 2 terminales
2
$
3.00
$
6.00
Conector USB tipo B
1
$
6.50
$
6.50
Microcontrolador PIC18f4550
1
$
105.00
$
105.00
Oscilador 20Mhz
1
$
8.00
$
8.00
Micro switch
1
$
4.00
$
4.00
Sensor HIH4010
1
$
285.00
$
285.00
Sensor MPX2010
1
$
254.00
$
254.00
Sensor LM35
2
$
21.00
$
42.00
Hoja de papel couche
1
$
1.00
$
1.00
Válvula de vacío
1
$ 2,520.00
$ 2,520.00
Calentador
1
$
180.00
$
180.00
Botella de cloruro férrico
1
$
26.00
$
26.00
Total
26
$ 3,707.25
Los recursos humanos utilizados en este proyecto se muestran en la tabla 5.
Tabla 5. Tabla de recursos humanos.
Nombre
Alberto Sánchez
Sánchez
Tiempo de
contrato
Tarea
Desarrollar
proyecto
2 meses
Total
El costo estimado del proyecto contempla
Sueldo
$
$
7,000.00
14,000.00
los componentes con un valor
depreciado. La suma total de las herramientas, componentes y mano de obra se
muestra a continuación.
Herramientas
$
125.47
Tabla 6. Costo del proyecto.
Componentes
Mano de obra
$
3,707.25
$
14,000.00
27
Total
$ 17,832.72
X.
X.I
DESARROLLO DEL PROYECTO
Acondicionamiento de señales
En ésta fase del proyecto se diseña el circuito que permite acondicionar las
señales de los sensores a un estándar de tensión de 0V a 5V. El horno cuenta
con 4 sensores en total: 2 de temperatura con el fin de obtener la medición
promedio de ambos dispositivos e intentar una medición más exacta, 1 de presión
para medir la diferencia que existe entre la presión generada por el vacío dentro
del horno y la presión en el exterior, y 1 de humedad para conocer la humedad
relativa dentro del horno. Inicialmente se deben conocer los valores máximo y
mínimo de la señal de salida de los sensores. En la figura 4 se observan los
sensores de temperatura y humedad dentro del horno.
Temperatura
Humedad
Figura 4. Interior del horno deshidratador.
28
Sensor de Humedad
Iniciamos con el acondicionamiento del sensor de humedad, el HIH4010 de
Honywell. Algunas de las características de éste dispositivo son: Exactitud de ±
3.5% de humedad relativa, intervalo de medición de 0% a 100% de humedad
relativa, un consumo de corriente de 200uA, temperatura máxima de operación
de 90°C al 100% de HR durante menos de 50 horas. Las razones por las cuales
se decide utilizar éste sensor son el precio ($ 285), el tamaño (2.1cmX.254cm) y
la exigencia de la aplicación no demanda una exactitud mayor; aunado a esto se
aclara que el sensor ya existía cuando se comenzó el proyecto, por lo cual no se
invierte en otro.
La tensión de salida del sensor obedece a la siguiente ecuación:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = (𝑉𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦)((0.0062 ∗ 𝐻) + 0.16); por tanto si la fuente de alimentación es
de 5V y la humedad relativa mínima es 0%, la tensión mínima de salida del sensor
es: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = (5𝑉)((0.0062 ∗ 0) + 0.16) = (5)(0.16) = 0.8𝑉;
Si la humedad relativa es de 100% la tensión máxima de salida es:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = (5𝑉)((0.0062 ∗ 100) + 0.16) = (5)(0.78) = 3.9𝑉.
Una vez determinado el valor mínimo y máximo de respuesta del sensor se
procede a realizar los cálculos para obtener los valores mínimo y máximo
deseados. Debido a que la respuesta es lineal, se utiliza la ecuación de la recta
𝑚𝑥 + 𝑏 = 𝑦 y se procede como sigue:
29
Se establece un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas, donde la constante
que multiplica a m es la tensión mínima y máxima sin acondicionar y los valores
que sustituyen a 𝑏 son los valores mínimo y máximo deseados.
Ec. A 0.8𝑚 + 𝑏 = 0
Ec. B 3.9𝑚 + 𝑏 = 5
Resolviendo para 𝑏 y 𝑚 se obtiene 𝑚 = 1.6129 y 𝑏 = −1.2903.
En función de los valores encontrados se forma la ecuación de transferencia
𝑉𝑜𝑢𝑡 = (𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ∗ 1.6129) − 1.2903, en ésta se puede observar un factor de
amplificación y una sustracción, dichas operaciones se realizan usando el CI
LM358 en cuyo empaquetado se encuentran dos opamp que pueden funcionar
con una alimentación unipolar, además de su bajo offset (2mV) y bajo consumo
de corriente (2mA); éstas características además de su precio ($6) hacen que el
CI sea adecuado para el acondicionamiento.
Para obtener la ganancia positiva de la señal se utiliza una configuración no
𝑅2
inversora y se calcula la mediante la fórmula 𝐺 = (𝑅1 + 1), se propone el valor de
𝑅1 = 10𝑘Ω y se despeja 𝑅2, resultando 𝑅2 = 6.129kΩ; para obtener este valor se
sustituyen en la ecuación G=1.6129 y R2=10kΩ.
Por último se utiliza una configuración restadora con 4 resistencias del mismo
valor, esto con el fin de obtener una ganancia unitaria en el resultado de la
diferencia entre la tensión amplificada menos 1.6129V.
En la figura 5(a) se muestra el circuito esquemático del acondicionamiento
realizado en el software ISIS de Labcenter Electronics, además en la tabla 7 se
30
muestran también los resultados de 7 simulaciones del mismo circuito pero en el
software TINA de Texas Instruments, esto debido a que éste programa ofrece
resultados más confiables, pero el primero ofrece una apariencia más detallada
para los esquemáticos. Se aprecia también la gráfica del comportamiento de la
señal en la figura 5(b).
(a).
Tensión V
Humedad
3.8
3.6
3.4
3.2
3
2.8
2.6
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Señal sensor
Acondicionamiento
10
20
30
40
50
60
70
Humedad %
b)
Figura 5. Acondicionamiento de sensor de humedad. (a) Esquemático, (b)
Comportamiento de la señal.
31
Tabla 7. Comparación de señal HIH4010 y acondicionamiento.
Humedad Sensor V
10
1.11
20
1.42
30
1.73
40
2.04
50
2.38
60
2.66
70
2.97
Acondicionamiento V
0.500019
1.000018
1.500017
2.000016
2.548402
3.000014
3.500013
Sensor de Temperatura
Se procede ahora a acondicionar la señal de los 2 sensores LM35 de temperatura
que se encuentran dentro del horno, se utilizan 2 sensores para obtener una
temperatura promedio y obtener una señal más precisa. De acuerdo a la hoja de
datos, el sensor puede montarse de 2 formas como se muestra en la figura 6(a)
y 6(b).
(a)
(b)
Figura 6. (a) Montaje de 2° a 150°C, (b) Montaje -55 a 150°C
Los requerimientos del proyecto establecen un acondicionamiento de señal de
0V a 5V en un intervalo de temperatura de 0 a 100°, en éste caso se utiliza el
montaje de 2 a 150°C. Se procede a realizar el acondicionamiento de la señal
32
sabiendo que la respuesta del sensor es lineal, de 10mV/°C y aplicando la
ecuación de la recta, se tienen entonces 2 ecuaciones:
Ec. A 0.02𝑚 + 𝑏 = 0
Ec. B 𝑚 + 𝑏 = 5
Se procede de la misma forma que con el sensor de humedad. Resolviendo el
sistema de ecuaciones se obtiene 𝑚 = 5.102 y
𝑏 = −0.102 , la ecuación de
salida es 𝑉𝑜𝑢𝑡 = (𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ∗ 5.102) − 0.102 ; una vez conocida la ecuación, se
utiliza una configuración no inversora y una restadora para obtener la señal de
salida acondicionada. La resistencias para obtener el factor de 5.102 se calculan
proponiendo uno de los valores, en este caso
𝑅1 = 10𝑘Ω y despejando la
𝑅2
ecuación 𝐺 = (𝑅1 + 1) 𝑅2 = 41.02𝐾Ω. Las resistencias del restador son todas del
mismo valor, esto para tener una ganancia unitaria. Debido a que la tensión
máxima de salida del sensor es 1.5V significa que la tensión acondicionada es
de 7.551V y éste es un valor fuera del rango tolerado por el convertidor analógicodigital del microcontrolador, por lo tanto se elige saturar al amplificador
aproximadamente a 5.3V (Debido a que el proceso dentro del horno lo requiere,
la temperatura nunca provocará una tensión de 5.3, por tanto el ADC no está en
riesgo) gracias a la tensión regulada que genera un diodo zener de 6.2V. Se
propone una corriente a través del diodo de 20mA y la corriente de alimentación
del LM358 es de 2mA, si la fuente de alimentación es de 12V, la tensión de
referencia para calcular la resistencia es:
33
5.8
12𝑉 − 6.2 = 5.8𝑉 Entonces 𝑅 = (0.02𝐴+0.002𝐴) = 263Ω, sin embargo se elige el
valor comercial de 220Ω para una corriente de aproximadamente 26.3mA, que
no daña al diodo, ya que soporta hasta 80mA; la potencia tampoco es problema
ya que 5.8𝑉 ∗ 0.026𝐴 = 150𝑚𝑊,y la resistencia puede disipar hasta 250mW.
En la figura 7(a) se muestra el esquemático que se realiza en ISIS y la simulación
en TINA, se muestra también la tabla 8 con 5 resultados de una simulación, la
respectiva gráfica de la señal de entrada y la señal acondicionada se aprecia en
la figura 7(b) y 7(c). Cabe aclarar que solo en el circuito de temperatura se satura
al Opam, en los circuitos de humedad y presión se alimenta con 12V.
(a)
34
Tensión V
Temperatura Sensor
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Temperatura Sensor
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Temperatura °C
(b)
Acondicionamiento
4
3.5
Tensión V
3
2.5
2
Acondicionamiento
1.5
1
0.5
0
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Temperatura °C
(c)
Figura 7. Acondicionamiento de Temperatura. (a) Esquemático, (b) Sensor
Vs. Temperatura, (c) Acondicionamiento Vs. Temperatura.
.
35
Tabla 8. Comparación Señal LM35 y acondicionamiento.
Temperatura
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Sensor
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
Acondicionamiento
0.6633
0.9184
1.1735
1.4286
1.6837
1.9388
2.1939
2.449
2.7041
2.9592
3.2143
3.4694
Sensor de presión
El sensor MPX2010 se utiliza para medir la diferencia de presión existente entre
la presión fuera del horno y el vacío generado dentro del horno.
Entre las
características de este dispositivo están su rango de operación de 0°C a 80°, su
sensibilidad de 2.5mV/kPa y su rápido tiempo de respuesta de 1ms; la razón por
la cual se trabaja con él, es su precio relativamente bajo ($254), además se aclara
que cuando se comenzó el proyecto éste sensor estaba instalado. Cuando el
sensor detecta una presión diferencial de 0kPa, se tiene una tensión de salida de
0V y cuando la presión diferencial es la máxima que pude medir el (10kPa) la
tensión de salida es de 25mV. El usuario final no especifica los intervalos de
presión en los cuales se utilizará el horno, por lo tanto no se mencionan en este
documento.
36
Al igual que en los acondicionamientos anteriores, por tratarse de una señal
lineal, se utiliza la ecuación de la recta para formar un sistema de 2 ecuaciones
y resolver para las incógnitas m y b.
Ec. A 0𝑚 + 𝑏 = 0
Ec. B 0.025𝑚 + 𝑏 = 5
Resolviendo el sistema se obtiene que 𝑚 = 200 y 𝑏 = 0. De acuerdo a los valores
obtenidos, se forma la siguiente ecuación que describe el acondicionamiento:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = (𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ∗ 200).
Debido a la tensión diferencial proporcionada por el sensor como salida, se
decide utilizar un amplificador de instrumentación donde, la primera parte la
conforman 2 seguidores de tensión para asegurar la menor pérdida de la señal
del sensor y la segunda parte la conforma un amplificador restador con ganancia
𝐺
200
200, se propone que 𝑅1 = 10𝑘Ω lo que implica que 𝑅2 = 10𝑘Ω = 10𝑘Ω = 2000𝑘Ω =
2𝑀Ω. Al igual que en los sensores de temperatura y presión, el esquemático se
realiza en ISIS y la simulación en TINA. En la figura 8(a) se muestra el diseño del
circuito, las gráficas de la señal del sensor y la señal acondicionada se aprecian
en 8(b) y 8(c) respectivamente. Los resultados de la simulación se encuentran en
la tabla 9.
37
(a)
Tensión V
Presión Sensor
0.028
0.026
0.024
0.022
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
Presión Sensor
0
1
2
3
4
5
6
Presión kPa
(b)
38
7
8
9
10
Tensión V
Acondicionamiento
5.25
5
4.75
4.5
4.25
4
3.75
3.5
3.25
3
2.75
2.5
2.25
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
Acondicionamiento
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Presión kPa
(c)
Figura 8. Acondicionamiento de presión. (a) Esquemático, (b) Sensor Vs.
Presión, (c) Acondicionamiento Vs. Presión.
Tabla 9. Comparación MPX2010 y acondicionamiento.
Presión
Sensor
Acondicionamiento
0
0
0
1
0.0025
0.5
2
0.005
1
3
0.0075
1.5
4
0.01
2
5
0.0125
2.5
6
0.015
3
7
0.0175
3.5
8
0.02
4
9
0.0225
4.5
10
0.025
5
39
X.II Interfaz de potencia para actuadores
En el horno existen 2 actuadores, una electroválvula y una resistencia. La etapa
de potencia para la resistencia involucra componentes para corriente alterna. Con
el fin de proteger al microcontrolador de algún cortocircuito que se pueda generar
en la carga se utiliza el optoacoplador MOC3011 que aísla el circuito de control
del circuito de CA. Entre las características del optoacoplador se encuentran: un
aislamiento de hasta 7.5kV pico, salida para 120 VCA, corriente máxima del led
IR de 50mA, tensión del led IR de 1.2V @10mA (corriente para saturar al
optotriac). Éste CI es barato y fácil de conseguir y sus prestaciones son
suficientes para el proyecto. Por su parte el Triac BT137 que funciona como
interruptor para encender o apagar la resistencia tiene las siguientes
características: Capacidad para manejar una corriente máxima de 8A, y hasta
65A durante 20ms. El circuito sugerido se puede apreciar en la figura 9.
Figura 9. Montaje sugerido para carga
resistiva.
El esquemático mostrado en la figura 10 se realiza en el software Proteus de
Labcenter Electronics. El cálculo de la resistencia que limita la corriente a través
40
del led IR está en función de su corriente de 10mA. Debido a que la señal aplicada
es de 5V, la tensión para la cual se calcula la resistencia es:
3.8𝑉
5𝑉 − 1.2𝑉 = 3.8𝑉, Por lo tanto aplicando ley de Ohm: 𝑅 = 0.01𝐴 = 380Ω, se decide
utilizar una resistencia de 390Ω que es el valor comercial próximo. La resistencia
de 180Ω del optotriac se selecciona tomando en cuenta la recomendación del
fabricante para una carga resistiva.
En la figura 11 se observa el interior del horno con 3 calentadores (solo se
enciende uno). Es necesario mencionar que la etapa de acondicionamiento de
señal está separada de la etapa de adquisición y control, es decir la parte
analógica del circuito se separa de la parte digital y solo las referencias de 0 V
de ambos circuitos se unen en un solo punto para evitar tener interferencias
provenientes de la alimentación proporcionada por el puerto USB.
Figura 10. Interfaz uC-Resistencia.
41
Figura 11. Interior del horno.
Para el accionamiento de la electroválvula se utiliza el optoacoplador con salida
a transistor TCET1100 que tiene un aislamiento contra cortocircuito clase II,
soporta 5kV durante un minuto, maneja una corriente máxima a través del led IR
de 60mA y puede operar en un rango de -40°C a 100°C; esto con el fin evitar
dañar al microcontrolador con las corrientes inversas que se generan cuando a
una bobina se le retira la alimentación, cómo es el caso de la electroválvula
utilizada. Como interruptor se utiliza un transistor NPN BD135, éste modelo
puede manejar una corriente de hasta 1A (suficiente para soportar la corriente de
trabajo de 350mA de la válvula), tiene una capacidad de disipación de 12.5W y
un factor de amplificación máximo de 250.
42
Se calculan las resistencias del optoacoplador y el transistor, de acuerdo a la hoja
de datos del fabricante, con una corriente de 10mA del led IR se puede saturar
al fototransistor, tal como se observa en la figura 12.
Figura 12. Prueba de circuito operando en
Saturación.
De acuerdo a la gráfica de la figura 13, si la corriente del led IR es de 10mA, la
caída de tensión entre sus terminales es de 1.1V.
Figura 13. Tensión Vs. Corriente en el led IR.
Debido a que el cátodo del led está conectado en serie al colector de un transistor
NPN 2N222 (figura 17), es necesario calcular su resistencia de base para llevarlo
43
al estado de saturación y crear la diferencia de potencial necesaria entre el ánodo
y cátodo para inducir la cantidad de luz necesaria para activar al fototransistor.
La corriente que circula a través del led y el colector del transistor es 10mA, sin
embargo la resistencia de base se calcula para tener un margen de 5mA más en
el transistor, es decir 15mA, en la figura 14 se observan las tensiones ColectorEmisor de 40mV y Base-Emisor de 750mV aproximadamente.
(a)
(b)
Figura 14. (a)Tensión de saturación Base-Emisor, (b) Tensión
de satración Colector-Emisor.
La resistencia del led se calcula como sigue:
R=
Vcc−Vled−VCE
𝐼𝐿𝑒𝑑
=
5𝑣−1.1𝑉−0.040𝑉
0.01𝐴
= 386Ω, se elige el valor comercial de 390Ω.
Tomando en cuenta que en la figura 14 se indica un hFE de 10, la resistencia de
base necesaria debe permitir la décima parte de la corriente máxima de colector
(15mA), es decir 1.5 mA, ésta resistencia se calcula como sigue:
44
𝑅=
5𝑉−0.75𝑉
0.015𝐴
= 2833.3Ω, Se elige el valor comercial de 2.7kΩ para una corriente
máxima soportada por el colector de 15.4mA.
Ahora se procede a calcular la resistencia de base del BD135 (figura 17),
Teniendo en cuenta la corriente de 350mA de la electroválvula, la corriente de
colector se toma de 400mA. La caída de tensión CE es de 120mV
aproximadamente tomando como referencia la figura 15.
Figura 15. Tensión CE para corriente de 400mA.
Se observa que el hFE para dicha corriente es 10, por lo tanto la corriente de
Ic
base debe ser Ib = 10 =
0.4A
10
= 0.04A. La caída de tensión BE del BD135 para una
corriente de 0.4A es de 0.85V aproximadamente de acuerdo a la figura 16.
45
Figura 16. Tensión BE para corriente de 400mA.
Si el fototransistor está conectado a 12V y se conoce su tensión VCE (0.3V
aproximadamente), y además se conocen las tensiones VBE y VCE del BD135,
la resistencia de base se calcula como sigue:
𝑅𝑏𝑎𝑠𝑒 = (12𝑉 − 0.3 − 0.85𝑉)/0.04𝐴) = 271.25Ω, Se elige un valor comercial de
270Ω. El esquemático de dicho circuito se observa en la figura 17.
Figura 17. Interfaz uC-Electroválvula
46
X.III Circuito impreso
Una vez diseñadas las etapas de acondicionamiento de señal y la interfaz de
potencia, se procede a realizar el diseño de la tarjeta de circuito impreso (PCB)
con ayuda del software LiveWire de New Wave Concepts. El diseño incluye:
acondicionamiento de señales, adquisición de datos, envío de datos e interfaz de
potencia. El diseño contempla aislar el circuito analógico del circuito digital para
evitar señales indeseadas y la conexión de las referencias se hace en un solo
punto del circuito y lo más cerca posible a la referencia del USB.
El diseño se realiza en el software PCB Wizard de New Wave Concepts debido
a que es un programa con una interfaz sencilla y cuenta con los componentes
necesarios utilizados. El ancho de las pistas es una característica importante que
se debe considerar cuando se diseña la interfaz de potencia, se debe considerar
la cantidad de corriente que circula por las pistas, así como la disipación de calor.
Esta etapa del proyecto presenta dificultad considerable si no se tiene
experiencia, los problemas más comunes pueden ser conexiones omitidas,
conexiones (pines) incorrectas o corto circuitos, es necesario revisar todos los
puntos de conexión antes y después de impreso el circuito, igualmente debido a
la poca experiencia que se tiene, el tamaño de la placa: 10cm x 15cm resulta un
tanto sobredimensionado en relación al tamaño y número de componentes.
Para llevar el circuito a la placa, primero se imprime el diseño en una hoja de
papel couche y después la hoja se coloca sobre la placa y se calienta por 20
minutos a una temperatura de 160° aproximadamente. Una vez impreso el
47
circuito, se procede a montar los componentes en la placa, es importante colocar
la soldadura rápidamente para evitar dañar a los componentes con la
temperatura del cautín, sin dejar de lado la calidad de los puntos de soldado. En
la figura 18 se observa el diseño realizado en PCB Wizard.
Figura 18 PCB en LiveWire.
En la lista siguiente se muestra la descripción de cada número.
1. Clemas para conectar alimentación 12Vcd.
2. Potenciómetro para ajustar ganancia en sensor de humedad.
3. Potenciómetro para ajustar la suma de tensión en sensor de humedad.
4. Opam del sensor de humedad.
48
5. Potenciómetro para ajustar ganancia en sensor de temperatura 1.
6. Opam del sensor de temperatura 1.
7. Potenciómetro para ajustar suma de tensión en sensor de temperatura 1.
8. Potenciómetro para ajustar ganancia en sensor de temperatura 2.
9. Opam del sensor de temperatura 2.
10. Potenciómetro para ajustar suma de tensión en sensor de temperatura 2.
11. Sensor de humedad
12. Opam seguidor del de sensor de presión
13. Conector de alimentación y señales de sensores de temperatura y
humedad.
A.-NC
B.-NC
F.-Salida LM35-2
C.-NC
G.-NC
D.-Salida HIH4010
H.-5V
I.-GND
E.-NC
J.-
Salida LM35-2
14. Switch para interrumpir señales acondicionadas al uC.
15. Opam del restador del sensor de presión.
16. Ajuste de ganancia de la señal V- del sensor de presión en el Opam
restador.
17. Ajuste de ganancia V+ de sensor de presión en el Opam restador.
18. Clemas para conectar Triac.
A.-MT1
B.-MT2
C.-Gate
19. Clemas para conectar electroválvula (no importa el orden de los cables).
49
20. Transistor 2 electroválvula.
21. Optoacoplador TCET1100 para electroválvula.
22. Optoacoplador MOC3011.
23. Transistor 1 electroválvula.
24. Microcontrolador
25. Conector USB.
26. Switch para interrumpir alimentación cuando se conecta ISCP.
27. ISCP.
28. Master clear.
En la figura 19 se observa el PCB terminado.
Figura 19. Interfaz uC-Electroválvula
50
X.IV Programación
Para realizar el firmware de adquisición y envío de datos, se utiliza el compilador
PCWHD de Custom Computer Devices, este compilador incluye una librería que
permite la comunicación USB. Existen cuatro métodos de transmisión de datos
utilizando este protocolo: Control, Interrupt, Isochronus y Bulk.
El método Control es utilizado para realizar configuraciones sobre los endpoints
y en general para configurar al dispositivo (enumeración) cuando se conecta al
puerto USB, todos los dispositivos que usan el protocolo, soportan éste modo.
El modo Interrupt (HID), es utilizado para pequeñas cantidades de datos
orientados a una interfaz humana, un mouse o un teclado utilizan éste tipo de
transmisión.
El método Isochronus es utilizado para la transmisión de audio y video en tiempo
real, solo es soportado por dispositivos de alta velocidad.
El modo BULK permite transmitir grandes cantidades de datos a gran velocidad,
es el método de transmisión utilizado por dispositivos como impresoras,
escáneres, y dispositivos de almacenamientos masivo.
Para realizar la transferencia de datos se opta por elegir el tipo Bulk debido a que
ya existía un firmware previamente diseñado, el cual estaba configurado para
dicho tipo de transferencia y se pidió que para el proyecto solo se adecuara la
parte de adquisición y conversión de señales, además que el intentar adecuar o
crear un nuevo firmware requeriría un tiempo considerable de desarrollo y
retrasaría el proyecto.
51
Éste método no es el más adecuado ya que el endpoint del Host (PC) reserva
gran cantidad de memoria destinada a almacenar los datos recibidos por el uC,
no obstante el tamaño de datos que envía el microcontrolador es de 8 bits.
Cuando se utiliza el protocolo de comunicación USB con un microcontrolador es
necesario utilizar un oscilador externo de 20Mhz, esto permite que el dispositivo
se pueda configurar internamente a 48Mhz para llevar a cabo la comunicación
USB. Además del Firmware, existía también el SubVI mostrado en la figura 20,
que permite el envío y adquisición de datos a través de LabView con el uC. El
firmware consiste básicamente en:
*Configurar comunicación USB
*Adquirir y convertir a digitales las señales de los sensores.
*Enviar las señales a la Pc para mostrarlas en LabView.
*En función de los datos recibidos por LabView, tomar acciones de control sobre
los actuadores (válvula y calefactor).
Figura 20. SubVI comunicación con uC.
52
Para comprender como se realiza la adquisición, digitalización y transmisión de
datos en el presente trabajo, se explica el diseño de la interfaz en LabView 2012
(Panel frontal) y se presenta el diagrama de flujo del firmware.
La interfaz (ver Anexo 1) consta de 5 indicadores numéricos y 2 gráficas, donde
se visualizan los valores de las variables (temperatura, presión y humedad)
previamente acondicionadas y digitalizadas; se incluyen 2 controles numéricos
para establecer los setpoints de temperatura y presión, además de 2 indicadores
luminosos que advierten cuando alguna de las 2 variables está incrementando.
Existe un botón situado en la parte inferior derecha, que permite detener la
ejecución del VI sin salir de LabView.
Por último se cuenta con un botón que permite guardar los datos en un archivo
de texto, mediante un path se selecciona la ruta y el nombre archivo en el cual
se desean guardar los datos.
A continuación se muestra el diagrama de flujo del firmware, como referencia se
presenta el código en C en el Anexo 2.
53
*Se
deshabilita
la
comunicación HID.
*Se habilitan los Endpoints
para la transmisión de datos en
modo BULK.
*Se establece el tamaño del
buffer de entrada (3 bytes) y
salida (4bytes).
Imicio
Inicio
Configurar reloj a
48Mhz
Enumerar puertos USB
Habilitar ADC a 8
bits
Configurar USB
Al apagar el puerto,
todos sus pines tienen
un nivel lógico de 0.
El arreglo sirve para
almacenar los datos
provenientes de la PC y
tiene un tamaño de 3
bytes.
Set ocupa la primera
posición del arreglo,
set2 la segunda y
promedio ocupa la
tercera posición.
Los factores 25.5 y 2.55
se utilizan para tener
valores entre 0 y 255
que
puedan
ser
comparados con el
valor del ADC
Multiplicar Set Point
Temperatura
Por 2.55
Declarar Puerto D
como salida y apagarlo
Declarar arreglo
tipo int8:
recibe[3]
2
Definir variables de
arreglo recibe:
set, set2, promedio
Por medio de las funciones
se realiza la conversión
A/D de las señales de los
sensores, así se evita tener
una gran cantidad de
código en el programa
principal.
Declarar funciones
Void hume, Void temp1,
Void temp2, Void pres
El arreglo sirve para
almacenar los que se
envían a la PC, tiene un
tamaño de 4 bytes.
Multiplicar Set
Point Presión por
25.5
Declarar arreglo
tipo int8:
envia[4]
temperatura1 ocupa la posición
uno del arreglo, temperatura2 la
posición dos, humedad la
posición tres y presion la posición
cuatro del arreglo envía.
Definir variables de arreglo envía:
temperatura1, temperatura2,
humedad, presion.
A estos cuatro datos se les
asignan los valores de las
conversiones A/D.
Declarar variables tipo int8
dato, dato1, dato2, dato3
Inicializar USB
Se establecen los parámetros de
trabajo del puerto USB en modo
BULK.
1
54
1
2
5
6
No
uC Enumerado
Si
No
Hay datos en el
buffer de entrada
Si
Recibir datos del host y
almacenarlos en arreglo recibe
*set=Set Point Temperatura
*set2=Set Point Presión
Se verifica si los puertos
ya están configurados
para la trasmisión de
datos.
Enviar valores Set
Point Presión y Set
Point Temperatura
al uC
Si verifica si existen datos
provenientes del host en
el buffer de entrada.
Se almacenan los valores
de los setpoints para ser
comparados en el uC con
los datos de los sensores.
Llamar a las 4
funciones
Cada función toma el
valor de cada canal del
ADC y se lo asigna a una
variable.
dato=hume=AN0
dato1temp1=AN1
dato2=temp2=AN2
dato3=pres=AN3
Verifica si hay datos
provenientes del uC.
Almacenar variables en
arreglo envía y enviarlas
al host
No
Hay datos para
recibir
Si
Recibir datos
3
4
55
3
4
A partir del valor de las
2 temperaturas, se
calcula el promedio, el
cual se compara con el
valor de set.
Los dividendos se
utilizan para tener
valores entre 0 y 255
para poder compararse
con los valores del
ADC.
Promedio=
(dato1+dato2)/2
Mostrar valor de variables:
Humedad=(dato/2.55)
Temperatura1=(dato1/ 2.55)
Temperatura2=(dato2/ 2.55)
Presión=(dato3/ 25.5)
Promedio=(Promedio/ 2.55)
Enviar valor
Promedio a uC
No
Verifica si hay datos en
el buffer de entrada.
Hay datos en el
buffer de entrada
Si
Almacenar promedio en arreglo recibe:
promedio=Promedio
No
set>promedio
Toma el valor promedio
proveniente de la PC y se
lo asigna a la variable del
arreglo recibe.
Mantener apagada
Resistencia
Si
Prender
Resistencia
No
set2>presion
Mantener apagada
Electroválvula
Si
Prender
Electroválvula
La
ejecución
del
programa se cicla.
6
56
5
La
ejecución
del
programa se cicla.
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS
De acuerdo a los objetivos planteados inicialmente, se presentan lo siguiente:
A).-
Realizar el acondicionamiento de señal de los sensores de temperatura,
presión y humedad. Se cumplió con éste requisito, se acondicionaron los sensores a
un estándar de 0V a 5V.
B).-
Diseñar la interfaz de potencia para controlar los actuadores. Se cumplió con
el requisito, ambas interfaces se probaron y resultaron adecuadas.
C).-
Desarrollar el firmware para la adquisición y digitalización de las señales de los
sensores y su envío una computadora a través del puerto USB. Se adecuó el firmware
existente para adquirir 4 señales, digitalizarlas y enviarlas a la Pc.
D).-
Adecuar el código existente en LabView para guardar el valor de las
mediciones, así como la hora y fecha de la muestra. Se cumplió con éste punto, existe
la posibilidad de crear un reporte en un archivo de texto (manipulable en Excel) con
los valores de las variables así como su hora y fecha de toma.
57
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Haber trabajado en este proyecto resultó muy interesante; aunque el proyecto
fue sencillo en su concepción, surgieron varios problemas, sin embargo debido a
ellos me fue más evidente que se debe ser sumamente meticuloso en cada
detalle por más pequeño que éste parezca, ya que estos detalles son los que a
menudo causan problemas al no ser tomados en consideración; como ejemplo
menciono el desajuste de la fuente de alimentación utilizada para alimentar el
sistema.
Existen algunos puntos que pueden tomarse en consideración para mejorar el
proyecto, tales como:
*Rediseño del PCB con el fin de reducir su tamaño y hacerlo más estético.
*Modificar el método de transmisión de información utilizado, se recomienda
cambiar el modo BULK a Interrupt (HID) para ahorrar recursos de memoria.
*Sustituir los transistores (TIP120) presentes en la etapa de potencia ya que se
considera que tienen características más elevadas a las requeridas, se
recomienda un transistor 2N2222 en la primera parte y como conmutador un
BD135.
*Realizar el cálculo de la temperatura promedio en el microcontrolador y no en
LabView con el objetivo de optimizar el tiempo de envío de datos.
*Agregar un control para modificar el tiempo de muestreo optimizar los recursos
de la PC.
58
XIII. ANEXOS
59
Anexo 1
60
Anexo 2(a)
61
Anexo 2(b)
62
Anexo 2(c)
Anexo 2(d)
63
XIV. BIBLIOGRAFÍA
Ahrens, D. C. (2000). Metrology today. An Introduction to Weather Climate, and
Environment. Thomson Learning.
Cánovas Barbosa, G. (1996). Dehydration of Foods. Chapman and HAll.
Coello Galindo, L. R. (2012). Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.
Obtenido de http://www.uaeh.edu.mx/docencia/P_P
resentaciones/tizayuca/electronica_tele/presentacion%20analogica
.pdf
Freescale
Semiconductor
Inc.
(2008).
Freescale.
Obtenido
de
http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX2010.pdf
Gobierno
del
DF.
(s.f.).
SIMAT.
Obtenido
de
http://www.calidadaire.df.gob.mx/calidadaire/index.php?opcion=4&opcion
recursostecnicos=20
Honywell International Inc. (2007). Honywell Sensing and Control. Obtenido de
http://sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-hih4010-40204021%20series-product-sheets-009020-1-en.pdf?name=HIH-4021-002
Miyara, F. (2004). Facultad de Ciencias Exactas, Ingenieria y Agrimensura.
Obtenido de http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/da-ad.pdf
Olarte, G. C. (2002). Procesamiento y Conservación de frutas. Obtenido de Sede
Bogota:
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/agronomia/2006228/teoria/fundam/
p1.htm
64
Texas Instrumens Inc. (2014). LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors.
Obtenido de http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf
Torres, F., & Fernández, C. (s.f.). Universidad de Alicante. Recuperado el 2014,
de
http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/18433/1/Tema%202_Sensores%
20y%20Detectores.pdf
Violante
Gonzaléz,
F.
N.
(2010).
UVM
Tlalpan.
Obtenido
de
http://www.tlalpan.uvmnet.edu/oiid/download/Microcontroladores%20y%2
0plc´s_04_ING_IMECA_PIT_E.pdf
65