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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
ESCUELA DE INGENIERÍA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRANSMISOR DE
TEMPERATURA PARA TERMOCUPLAS TIPO K
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO
DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
JUAN CARLOS BARRAGAN IZUR1ETA
DIRECTORA: ING. ANA RODAS
Quito, Mayo del 2003
n
DECLARACIÓN
Yo, Juan Carlos Barragán Izurieta, declaro bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
A través de la siguiente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normativídad institucional vigente.
x.
Juan Carlos Barragán
111
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Juan Carlos Barragán
Izurieta, bajo mi supervisión.
ING. ANA RODAS
DIRECTORA DE PROYECTO
IV
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mi familia y amigos que me apoyaron en la realización de este
proyecto, y a la Ing. Ana Rodas por su guía para el desarrollo de éste.
CONTENIDO
DECLARACIÓN ¡¡
CERTIFICACIÓN i¡¡
AGRADECIMIENTO iv
CONTENIDO vii
RESUMEN ¡x
PRESENTACIÓN x¡
1. GENERALIDADES 1
1.1 TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA 4
1.1.1 TERMOCUPIA O TERMOPAR 4
1.1.1.1 Tipos de termocup] as 7
1.1.1.2 Usos típicos en la industria 9
1.1.2 SENSORES DE TEMPERATURA POR RESISTENCIA CRTD) ' 10
1.1.3 LOS TERMSTORES 13
1.1.4 SENSORES SEMICONDUCTORES 14
1.2 MEDIDORES Y TRANSMISORES DE TEMPERATURA 15
1.2. ] CARACTERÍSTICAS DE MEDIDORES Y TRANSMISORES 17
1.2.2 MEDIDORES COMERCIALES. 18
1.3 EQUIPO MEDIDOR-TRANSMISOR A DISEÑAR 22
VI
CAPITULO 2
2. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE
2.1 CONSIDERACIONES GENERALES
2.2 CONTROLADOR CENTRAL
2.2.1 MCROCONTROLADORPIC16F877
*2.2.1.1 Características del PIC16F877
2.2.1.2 Asignación de pines del microprocesador
2.2.1.3 Conversión A/D
2.2.1.4 Memoria
2.2.1.5 Comunicación serie
2.2.7.5.7 Propiedades de la conexión
* 2.2.7.5.2 Frecuencia de trabajo y comunicación serial
23 A VISUALIZACION CON PANTALLA DE CRISTAL LIQUIDO (LCD)
2.3.2 TECLADO
2.3.3 RELOJ EN TIEMPO REAL
2.4. ACONDICIONADOR DE SEÑALES ANÁLOGAS
2.4.1 ACONDICIONADOR DE SEÑAL DE LA TERMOCUPLA
4 2.4.1.1 Filtro de segundo Orden
2.4.2 MEDIDOR DE TEMPERATURA AMBIENTAL
2.5 TRANSMISOR DE CORRIENTE
2.6 ALIMENTACIÓN Y MONITOR DE BATERÍA
2.6.1 TENSIÓN DE OPERACIÓN
2.7 CIRCUITO FINAL IMPLEMENTADO
Vil
CAPITULO 3
3. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE 48
3.1 SOFTWARE DE OPERACIÓN DEL PIC • 48
3.1.1 ASPECTOS FUNDAMENTALES 48
3.1.2 JNICJALIZACION 49
3.1.2,1 Inicialización y Configuración del LCD 50
3.1.3 PRIMER MODO DE OPERACIÓN: ADQUISICIÓN DE DATOS 55
3.1.3.1 Configuración del PIC16F877 para la conversión A/D 55
3.1.3.2 Configuración e Implementación delasubrutinaparaelRTC 57
3.1.3.3 Indicador de estado de batería 61
3.1.3.4 Indicador de conexión del transmisor de corriente 62
3.1.4 SEGUNDO MODO DE OPERACIÓN: MANEJO DE MEMORIA 62
3.2 SOFTWARE DE INTERFAZ CON EL USUARIO 65
3.2.1 PRIMER MODO DE OPERACIÓN 65
3.2.1.1 Visualización de la información " 65
3.2.1.2 Funciones del teclado en el primer modo 66
3.2.2 SEGUNDO MODO DE OPERACIÓN 66
3.2.2.1. Yisualización de la información 66
3.2.2.2 Funciones del teclado en el segundo modo 67
3.3 PROGRAMA PARA LA PC 68
viu
CAPITULO 4
4. PRUEBAS Y RESULTADOS 71
4.1 PRUEBAS DE OPERACIÓN 71
4.1.1 ELEMENTOS PATRONES 71
4.1.2 PRUEBA A TEMPERATURAS BAJO LA TEMPERATURA AMBIENTAL 72
4.1.3 PRUEBA EN BAÑO MARÍA 74
4.1.4 PRUEBA SOBRE 90 °C 77
4.1.5 PRUEBA DEL TRANSMISOR DE CORRIENTE 81
4.1.6 COMPORTAMIENTO DEL EQUIPO PARA CAMBIOS RÁPIDOS 85
4.1.7 MANEJO DEL TECLADO 86
4.1.8 COMUNICACIÓN SERIAL. 87
4.2 RESULTADOS DE LA CONSTRUCCIÓN 90
4.2.1 CONSTRUCCIÓN 90
4.2.2 CONSUMO ' 91.
CAPITULO 5
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 93
5.1 CONCLUSIONES 93
5.2 RECOMENDACIONES 95
BIBLIOGRAFÍA 97
ANEXOS
RESUMEN
En este proyecto se presenta el diseño y construcción de un medidor - transmisor
de temperatura con entrada para termocuplas tipo K y salida de corriente
normalizada, basándose en un Microcontrolador PIC, con una interfaz amigable al
usuario y la posibilidad de comunicación con un PC.
El diseño incorpora una parte análoga y otra digital para la medición, presentación
y transmisión de la información, lo que se describe en los diferentes capítulos que
comprende la parte escrita del proyecto.
En e! Capítulo 1, se describen generalidades sobre la medición de temperatura,
sensores, medidores y transmisores de temperatura y sus características,
basándose en esto, se plantea el medidor transmisor que se diseña en el presente
proyecto.
En el Capítulo 2, se presenta el diseño de hardware que compone el equipo, la
selección de sus partes y descripción de las funciones que realizan dentro del
equipo, esta revisión se la hace de una manera rápida y completa con el fin de
entender su funcionamiento.
En el capítulo 3 se encuentra la descripción del software necesario para el
funcionamiento del equipo que servirá para programar al microcóntrolador PiC,
también se explica el software de interfaz de usuario tanto implementado en el
PIC como el desarrollado para el computador.
En e! capítulo 4 se describen las pruebas realizadas al medidor - transmisor para
verificar su correcto funcionamiento, en especial que cumpla con lo que se
propuso diseñar.
Finalmente en el capítulo 5 se tienen las conclusiones y recomendaciones acerca
del proyecto, obtenidas luego del proceso de desarrollo y construcción del mismo
y luego de la verificación de su funcionamiento mediante las pruebas pertinentes.
En los anexos se encuentra la documentación de ciertos elementos utilizados en
el desarrollo del proyecto que puede ayudar al mejor entendimiento de las partes
del diseño.
Finalmente en el capítulo 5 se tienen las conclusiones y recomendaciones acerca
del proyecto, obtenidas luego del proceso de desarrollo y construcción del mismo
y luego de la verificación de su funcionamiento mediante las pruebas pertinentes.
En los anexos se encuentra la documentación de ciertos elementos utilizados en
el desarrollo del proyecto que puede ayudar al mejor entendimiento de las partes
del diseño.
XI
PRESENTACIÓN
La temperatura es uno de los fenómenos físicos que con mayor frecuencia se
mide en procesos ambientales e industriales, por lo tanto, su medición y control es
un aspecto de importancia fundamental dentro del control de procesos; no
solamente en los que la temperatura es una variable crítica, sino en todos, ya que
esta variable influye en el comportamiento de los instrumentos de medición y en la
vida de todos los seres vivos.
La medición y transmisión de temperatura a distancia ha merecido últimamente
gran atención en los sistemas de control de procesos, y es por ello que se ha
pasado de simples instrumentos ciegos que no dan información al usuario a
complejos y modernos sistemas que incluyen pantallas gráficas e incluso sonidos
para interactuar con el usuario final. La transmisión de la información se ha
desarrollado en forma de corriente por muchos años gracias las ventajas que
presenta este tipo de transmisión sobre otros.
Existen medidores de temperatura de tipo analógico y digital. Un equipo de
medida de temperatura digital es mucho más exacto y confiable que los
tradicionales métodos de medición de temperatura basados en termómetros y en
técnicas análogas. Si además de esto se tiene un transmisor incorporado y el
sistema usado se basa en un microcontrolador se tienen ventajas adicionales
como la facilidad de comunicación con el operador y la posibilidad de ir
,̂ almacenando los datos periódicamente o visualizarlos.
En la actualidad se han desarrollado muchos instrumentos medidores de
temperatura que poseen varias características, presentaciones y costos. Ya que
en el mercado existe una gran demanda de medidores de temperatura portátiles
de bajo costo, se construirá el medidor transmisor con características de diseño y
presentación competitivas a nivel industrial, utilizando como elemento principal un
PIC.
CAPITULO 1
GENERALIDADES
CAPITULO 1
GENERALIDADES
La temperatura es uno de los fenómenos físicos que con mayor frecuencia se
mide en procesos ambientales e industriales y constituye el control de la variable
más común que se efectúa en los procesos industriales. Por esto se han
desarrollado una inmensa cantidad de instrumentos medidores de temperatura
que poseen amplia gama de técnicas de medida, con distintas prestaciones en
cuanto a precisión, tiempo de respuesta y condiciones de trabajo en las cuales
pueden utilizarse.
La temperatura se mide básicamente a partir de cambios en las propiedades de
diversos materiales entre los cuales podemos citar;
a) Variaciones en el volumen o en el estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o
gases).
b) Variaciones en la resistencia de algún conductor (RTDs).
c) Variación en ia resistencia de algún semiconductor (termistores).
d) Fuerza electromotriz generada en la unión de dos metales distintos
(termocupías).
e) Intensidad de ia radiación emitida por un cuerpo (pirómetros de radiación).
f) Fenómenos utilizados en el laboratorio (velocidad del sonido de un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal, etc).
Un instrumento de medición es aquel que sirve para obtener el valor de (a
magnitud de una variable física, la información resultante de la medición debe ser
presentada al operador en una forma reconocible por los sentidos.
Un medidor de temperatura tiene como parte fundamental un sensor y circuitos
adicionales para tratar la señal y obtener salidas adecuadas. Los medidores de
temperatura son tan diversos como sus aplicaciones, variedad de diseños y
transductores que utilizan. Pero es posible identificar ciertos bloques funcionales
que son de carácter general. Estos bloques se muestran en la Figura 1.1.
Magnitud — &a medir \o
sensorDrimarío
wAcondicionador
de señal pEtapadesalida
Fig. 1.1 Bloques funcionales básicos de un instrumento de medición
El elemento sensor primario es el dispositivo que está en contacto con la variable,
recibe y mide la energía de la señal de entrada produciendo una señal de salida
dependiente de la magnitud medida, este elemento sensor puede ser cualquiera
de los diferentes tipos de sensores de temperatura existentes; los sensores más
usados son RTDs y termocuplas aunque también existen medidores que utilizan
sensores de temperatura semiconductores.
La salida del elemento primario es una cierta variable física que puede ser
necesario convertirla a otra variable de diferente naturaleza por ejemplo señales
eléctricas. El elemento de conversión modifica la naturaleza de la señal que
proporciona el sensor para hacerla más fácilmente tratada, sin alterar la
información de la señal.
También puede ser necesario la manipulación de la señal, por ejemplo, cambiar la
magnitud de la misma; esto se lo realiza en el bloque de acondicionamiento de la
señal. Este bloque de tratamiento o acondicionamiento depende del tipo de
sensor utilizado, ya que cada sensor tiene sus propias características y
requerimientos. En muchos casos, debido al bajo nivel y no iinealidad de las
salidas de los sensores de temperatura estas señales deben ser apropiadamente
amplificadas y linealizadas para obtener salidas adecuadas.
En algunos instrumentos la función de conversión y tratamiento se lo realiza en un
solo bloque, o también puede ser el caso que se lo realice en varios bloques
separados. En los instrumentos digitales se realiza la conversión análoga a digital
y todo el procesamiento posterior de la señal se lo realiza digitalmente.
Cuando los bloques funcionales del instrumento se encuentran separados
físicamente o se desea enviar la información de la medida a distancia es
necesario la transmisión en una señal estándar (al ser estándar es compatible con
cualquier instrumento de control con independencia de su marca comercial) para
que finalmente la información obtenida sea presentada al operador para
conocimiento o control de la variable medida.
El resultado de la medición debe ser presentado al operador, de aquí parte la
idea de que exista una interfaz con el usuario, la cual debe ser fácilmente
reconocible por los sentidos. Esta presentación puede consistir en una simple
indicación de aguja o una indicación en forma digital del resultado (instrumento
indicador). La presentación de la indicación puede tener la forma de un registro
gráfico del valor de la variable en función del tiempo (Instrumento registrador), la
información también puede ser enviada a distancia a un instrumento de control de
la variable o a un computador.
Estos son algunos de ios diferentes tipos de instrumentos de medición, registro y
control de temperatura.
Indicadores
Registradores
Transmisores
Fig. 1.2 Tipos de instrumentos
Medidores Portátiles
Controladores
1.1 TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
El primer paso para la medición de temperatura es la detección de la misma. Esto
se lo hace con un sensor llamado también detector, transductor o medidor. Si el
sistema es eléctrico los traductores de temperatura convertirán la magnitud física
(t°) en una señal eléctrica de voltaje, resistencia o corriente.
En la Tabla 1.1 se detallan los transductores de temperatura más populares y sus
características.
TERMOCUPLA
Máximo Rango:
-184°C a+2300°C
Gran precisión y
repetitibílidad
Necesita
Compensación de cero
Bajo voltaje de salida
RTD
Rango:
-200 °C a +850 °C
Linealidad
Necesita corriente de
excitación
Bajo costo
TERMISTOR
Rango:
0°Ca+100°C
Poca Linealidad
Necesita corriente de
excitación
Alta sensibilidad
SEMICONDUCTOR
Rango:
-55°Ca+150°C
Linealidad: 1°C
Precisión : 1 °C
Necesita corriente de
excitación
lOmv/K^Omv/K,
0 1 (JA/ K típicas
Tabla 1.1. Sensores más populares y sus características
1.1.1 TERMOCUPLA O TERMOPAR
Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un
extremo (soldado generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los
metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los
milivoltios el cual aumenta con la temperatura.
Metal A
Metal B
Fig. 1.3 Efecto termoeléctrico
El principio de medición de temperatura utilizando termocuplas se basa en tres
principios físicos, que son:
Efecto Seebeck: al unir dos cables de materiales diferentes formando un circuito,
se presenta una corriente eléctrica cuando las junturas se encuentran a diferente
temperatura.
Efecto Peltier: cuando una corriente eléctrica fluye a través de una juntura de dos
metales diferentes, se libera o absorbe calor. Cuando la corriente eléctrica fluye
en la misma dirección que la corriente Seebeck, el calor es absorbido en la juntura
caliente y liberado en la juntura fría.
Efecto Thomson: un gradiente de temperatura en un conductor metálico está
acompañado por un gradiente de voltaje, cuya magnitud y dirección depende del
metal que se esté utilizando.
La expresión para el voltaje de salida de la termocupla, con la juntura de medida a
T (°C) y su referencia a 0°C, es un polimonio de la forma:
(1.1)
Pero los valores de los coeficientes K 2, Ka, etc. son muy pequeños para los tipos
de termocuplas más comunes. Por lo que generalmente se puede considerar
lineal su comportamiento dentro de ciertos rangos de temperatura.
Sin embargo, el principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de
"compensación de cero", puesto que las desjuntaras (T1 la juntura de medición y
T2 la juntura de referencia) están relacionadas. Si T2 = T1 , entonces V2 - V1 , y el
voltaje de salida V = 0. Los voltajes de salida de las termocuplas están a menudo
definidas respecto con una juntura de referencia de O °C (de ahí el término juntura
fría o ice point junction), así la termocupla provee un voltaje de salida de OV a 0°C.
Por lo tanto, para mantener la precisión del sistema, la juntura de referencia debe
estar a una temperatura bien definida (pero no necesariamente a 0°C). Una
simple aproximación de esta necesidad está mostrada en la Figura 1.4.
METAL A METAL A
METALB
Baño deHielo -
Fig. 1.4 Compensación de cero Clásica, usando una juntura de referencia a (0°C).
Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño
de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (T2 = O y luego V(T2) = 0).
Aunque un baño de hielo es relativamente fácil de definir, es un gran
inconveniente el mantenerlo.
Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto
mediante un sensor de temperatura adicional (generalmente semiconductor, a
veces termistor), y la suman para crear la compensación y obtener así [a
temperatura real. El voltaje de compensación debe ser equivalente a la
temperatura de la referencia, o sea, es función de esta temperatura V(comp.) =
Vf(T2) como se muestra en la Figura 1.5, En la práctica, la juntura fría es rara vez
mayor que un par de decenas de grados sobre los 0°C, y generalmente puede
variar en ±10 °C.
METAL A
VÍOUTJO-V(COMP)
COBRE
T1 * V(T1)
SAME.TEMP
METAL B
COBRE
METAL A
CIRCUITO DECOMPENSACIÓN DE
TEMPERATURA
V(T2) T2
TEMP\R
V(COMP) =f(T2) BLOQUE ISOTÉRMICO
Fig.1.5 Usando un sensor de temperatura para la compensación de cero
El punto de empalme (llamado "unión ó juntura de referencia") está siempre en el
conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De
modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo
instrumento para no crear junturas adicionales.
Cuando se usa compensación electrónica de juntura fría, es práctico eliminar el
cable de la termocupla adicional y terminar las puntas de la termocupla en un
bloque isotérmico como es el arreglo mostrado en la Figura 1.5. Las junturas de
metal A-Cobre y el metal B-Cobre, si están a la misma temperatura, son
equivalentes a la unión de Metal A-Metal B(ley del metal intermedio).
Las salidas de las termocuplas son muy pequeñas y cambian de 7 a 50 uV por
cada grado (1 °C) de cambio en temperatura haciendo a las señales muy
susceptibles a los efectos de ruido eléctrico. Por esto la sensitividad y ruido se
deben considerar cuando se miden señales de termocuplas. Los
acondicionadores de termocuplas incluyen filtros pasabajos, además, incluyen
amplificadores de alta ganancia para aumentar el nivel de la señal de voltaje.
Las termocuplas son pequeñas, robustas, relativamente económicas y operan en
e! mayor rango de todos los sensores de temperatura, por eso, las termocupías
son el tipo de sensor de temperatura más comúnmente utilizado en la industria.
Estas son especialmente útiles para hacer medidas a temperaturas
extremadamente altas (hasta los +2300 °C) en ambientes hostiles.
1.1.1.1 Tipos de tennocuplas
Existen una infinidad de tipos de termocuplas. En la Tabla 1.2 aparecen algunas
de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J
o del tipo K. Los metales más comúnmente usados son: hierro, platino, Rodio,
Renio, Tungsteno, Cobre, Alumel (compuesto de níquel y Aluminio), Cromel
(compuesto de Níquel y Cromo) y Constantan (compuesto de Cobre y Níquel).
Designación
ANSÍ
B
C
E
J
K
R
S
T
Cable +
Aleación
30% Platino
70% Rodio
5 % Tungsteno
95% Renio
Cromel
Hierro
Níquel / cromo
87% Platino
13%Rodio
90% Platino
10%Rodio
Cobre
Cable -
Aleación
6% Platino
94% Rodio
26% Tungsteno
76% Renio
Cobre / níquel
Cobre /níquel
Níquel / aluminio
100% Platino
100% Platino
Cobre / níquel
Rango
de uso típico
°C
(0, 1820)
(0, 2300)
(0, 982)
(0, 760)
(-184, 1300)
(0, 1593)
(0, 1538)
(-184,400)
Coeficiente de
Seebeck
M.V/°C
7.7
16
76
55
40
11.7
10.4
45
Tabla 1.2. Termocuplas más comunes y sus características
La Figura 1.6 muestra las curvas Voltaje-temperatura y de coeficiente de
Seebeck- temperatura de las tres termocuplas más comúnmente usadas,
mantenida a 0°C ia juntura de referencia. De las termocuplas mostradas (J, K, S),
las termocuplas tipo J son las más sensibles, produciendo grandes salidas de
voltajes dado un cambio de temperatura. Por otro lado, las termocuplas tipo S son
las menos sensibles. Estas características son muy importantes de considerar
cuando se diseña un circuito acondicionador de señal en que las bajas salidas de
las termocuplas requieren amplificadores de ganancia alta y bajo ruido.
25O 5OO 750 1000 1250 1500 1750 -250 750 1000 1250 15OO 1750TEMPERATURA fC} TEMPERATURA ('C)
Fig. 1.6 Voltaje de Salida y Coeficiente De Seebeck Para Termocuplas Tipo J, K y S
El presentar estos datos de las termocuplas tiene dos propósitos. Primero, ilustrar
el rango y sensibilidad de estos tres tipos de termocuplas, de tal forma que se
pueda determinar, a simple vista, que la termocupla tipo S tiene uso en el más
amplio rango de temperatura, pero la termocupla tipo J es más sensible. Segundo,
el coeficiente de Seebeck provee una rápida guía de la linealidad de las
termocuplas. Usando la Figura 1.6, se puede escoger una termocupla tipo K por
su coeficiente de Seebeck lineal en el rango de O a 250°C o una tipo S en el rango
de 90°C a 1700°C o que una termocupla tipo J tiene un coeficiente de Seebeck el
cual varia menos que 1 uV/°C entre 200 y 500°C, lo cual lo hace ideal para
mediciones en este rango.
1.1.1.2 Usos típicos en la industria
La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas
menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos
térmicos, contiene alta resistencia a la corrosión y a la oxidación.
Las termocuplas tipo J son más baratas y se usan principalmente en la industria
del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas
temperaturas. Esta termocupla solo es aconsejable en ambientes no oxidantes.
Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica
(fundición de acero). Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la
industria de alimentos, su respuesta es similar a la de la termocupla tipo J,
proporciona aproximadamente 0.045 mV/° C, con un rango máximo hasta llegar a
300 ° C, se recomienda por su buena señal, para mediciones de precisión dentro
de un limite no superior a los 250 ° C, tiene alta resistencia a la oxidación, pero
han sido desplazadas en esta aplicación por RTD de platino.
Como protección frente al ambiente, las termocuplas industriales normalmente se
encuentran encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material
(vaina) tal como se indica en la Figura 1.7, la velocidad de respuesta y la robustez
de la sonda vendrán afectadas por el espesor de dicha vaina.
10
Fig. 1.7 Protección de Termocuplas
Las uniones desnudas o junturas expuestas son usadas en medidas estáticas o
de flujo de gases no corrosivos donde se requiere un tiempo de respuesta rápida,
pero son fragües. Las uniones aisladas se emplean para medir en ambientes
corrosivos, donde además interese aislamiento eléctrico de! termopar, éste queda
entonces encerrado por la vaina y aislado de ésta por un buen conductor térmico
como aceite o resina epóxica.
1.1.2 SENSORES DE TEMPERATURA POR RESISTENCIA (RTD)
Otro popular sensor de temperatura es el Detector de temperatura por resistencia
(RTD) que es un dispositivo que muestra un incremento en su resistencia con la
temperatura, y que se rige por la siguiente expresión:
RT = Ro (1 + a! T + a2T2 + a3T3+ ... + anTn) (1.2)
En donde:
RO - Resistencia en ohmios a 0°C.
Rt = Resistencia en ohmios a t °C.
a = Coeficiente de temperatura de la resistencia, es una característica del material
que forma el conductor, que expresa, a una temperatura determinada, la variación
de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su
temperatura.
El número de términos depende del material, el rango de temperatura y la
exactitud requerida.
11
Están constituidos por un embobinado sensible a la temperatura, hecho de
alambre muy fino, típicamente de platino (Pt), montado sobre un cuerpo de
cerámica, vidrio, mica o papel duro. Los elementos de Platino son apropiados
para temperaturas de -250 a +850 grados Centígrados. El comportamiento del
RTD es más preciso y más lineal que la termocupla sobre el rango de medida.
La Figura 1.8 ilustra la variación de la resistencia respecto a la temperatura de un
RTD 100Q (PtlOO). Como se puede ver el RTD es un dispositivo más lineal que
las termocuplas, por esto linealizar el RTD es menos complejo e incluso en
muchas ocasiones no es necesario. La constante de temperatura típica 0.385
O/°C para RTD de Pt 100Q.
La expresión del RTD puede reducirse a la expresión lineal:
R t = R 0 ( l + at) (1.3)
R
n280270
260
250240230220'
210
200190"180'
170-
ieo150
14D
130
120
110
Ro 1003080-40 120 100 Z-ÍO 300 360 -120 480
FIG 1.8 Resistencia respecto a temperatura
Un RTD es un sensor pasivo y requiere de corriente de excitación para producir
un voltaje de salida, por lo que su acondicionamiento incluye generalmente como
primera etapa un circuito puente de resistencias.
12
Siendo resistencias relativamente bajas (100Q) que cambian muy poco con la
temperatura (bajo coeficiente de temperatura menos de 0.4 Q/°C) la resistencia de
los hilos conductores que conectan el RTD puede provocar errores importantes,
En la denominada técnica de medición de dos hilos, la resistencia se mide en los
terminales del sistema de adquisición de datos, por lo que la resistencia de los
hilos forma parte de la cantidad desconocida que se pretende medir. Por el
contrario, la técnica de cuatro hilos mide la resistencia en los terminales del RTD,
con lo cual la resistencia de los hilos queda eliminada de la medida. La
contrapartida es que se necesita el doble de cables y el doble de canales de
adquisición de datos. (La técnica de tres hilos ofrece una solución intermedia que
elimina un cable, pero no es tan precisa.)
Los RTD requieren de acondicionamiento de señal con fuentes de excitación de
corriente altamente precisas, amplificadores de alta ganancia y conectores para
mediciones de 4 y 3 hilos. Sin embargo, la caída de voltaje en un RTD es mucho
más grande que la salida de voltaje de la termocupla. A pesar de que e! costo del
RTD es más alto que el de la termocupla ellos usan junturas de cobre, y los
efectos termoeléctricos de las junturas no afectan su precisión. Además, no
requiere compensación de cero.
Se deben tener precauciones con la corriente de excitación porque la corriente a
través de RTD causa calentamiento. Este auto calentamiento cambia la
temperatura del RTD y aparece como error en la medida, Por esta razón, se debe
poner atención al diseñar la circuitería del acondicionador de señal tal que el auto
calentamiento esté por debajo de 0.5°C. Los fabricantes especifican e! error por
auto calentamiento para varios valores de RTD y tamaños.
Se han aplicado en múltiples usos industriales, en electrodomésticos, en edificios
y en automóviles. En los automóviles, por ejemplo, al ser inmune a los gases de
escape, pueden utilizarse para medir y controlar su temperatura, también pueden
medir la temperatura de entrada de aire al motor. Se han aplicado también en
hornos domésticos, cuyas temperaturas quedan fuera del rango de aplicación de
otros sensores. En edificios se usan para medir la temperatura y controlar el
13
consumo de agua caliente, También en la industria, en el control de la
temperatura de los gases de la chimenea, para optimizar la combustión del
caldero y reducir la contaminación y formación de hollín.
1.1.3 LOS TERMISTORES
Los termistores son semiconductores, cuya resistencia varia con los cambios de
temperatura. Pueden tener un coeficiente de temperatura positivo o negativo.
El fundamento de los termistores está en la dependencia de [a resistencia de los
semiconductores con la temperatura, debida a la variación con ésta del número de
portadores. Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores
reduciéndose la resistencia, de ahí que presenten coeficiente de temperatura
negativo (NTC). Esta dependencia varía con la presencia de impurezas, y si el
dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas con
coeficiente de temperatura positivo (PTC).
3200
Rt
1600 —
O 50 100
F1G 1,9. Gráfica para un termistor NTC de platino calibrado a T0 = 25°C y R0 = 1 K
La ecuación que domina el cambio de resistencia de un termistor respecto a la
temperatura está dada por:
R T =R 0 e ° (1.4)donde;
R0 = Resistencia inicial.b = Coeficiente térmico.Tt = Temperatura de trabajo en Kelvin.T0 = Temperatura de referencia.
14
Tienen mayor sensibilidad lo que permite obtener medidas de alta resolución y
reducir aún más el impacto de la resistencia de los hilos conductores. Pero su no
linealidad es mayor que los sensores descritos anteriormente, lo que exige un
algoritmo de Idealización para obtener resultados aprovechables.
Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros
circuitos de medida de resistencia. Son de pequeño tamaño y su tiempo de
respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de
fracciones de segundo a minutos.
La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable
siempre que el elemento, posea una alta resistencia comparada con la de los
cables de unión. Debido a la baja masa térmica del dispositivo, la corriente que
circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para
garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente
a los cambios de temperaturas del proceso y no por autocalentamiento.
Sin embargo, son populares en aplicaciones portátiles como son la medición de la
temperatura de baterías y otras temperaturas críticas en un sistema. Tienen
aplicaciones importantes en medición y control de la temperatura en indicadores
de! nivel de líquidos. Los termistores encuentran su principal aplicación en la
compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles
en vacuómetros.
Para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos
adecuadamente, con el fin de mantener sus características dentro del rango de
0.03 °C/año en un periodo de 12 años.
1.1.4 SENSORES SEMICONDUCTORES
Estos modernos sensores de temperatura semiconductores ofrecen gran precisión
y alta linealidad en un rango de operación de -55°C a +150°C aproximadamente.
Sus amplificadores internos pueden escalar la salida a valores convenientes, tales
15
como 10mV/°C. Son usados en circuitos para "compensación de cero" en
termocuplas en un amplio rango de temperatura.
Los sensores de circuitos integrados (IC) resuelven el problema de la linealidad y
ofrecen altos niveles de rendimiento. Son, además, relativamente económicos y
bastante precisos a temperatura ambiente.
Sin embargo, los sensores de IC no tienen tantas opciones de configuraciones del
producto o de gama de temperaturas, y además son dispositivos activos, por lo
que requieren una fuente de alimentación.
Los sensores de IC forman parte de la tendencia hacia los "sensores inteligentes",
que son unos transductores cuya inteligencia incorporada facilita las actividades
de reducción y análisis de datos que el usuario debe realizar normalmente en el
sistema de adquisición de datos.
Algunos de los fabricantes de este tipo de sensores son National Semiconductor y
Analog device. Estos tienen salida de voltaje o corriente dependiendo del modelo,
entre este tipo de sensores están:
LM135, LM235, LM435 son sensores con salida de voltaje proporcional a la
temperatura absoluta en grados Kelvin. LM35, LM45 con salida de voltaje
proporcional a la temperatura en grados centígrados. LM34 sensor con salida de
voltaje proporcional a la temperatura en grados Fahrenheit. LM134, LM234,
LM334 son sensores de temperatura con salida de corriente de 1pA/°C.
1.2 MEDIDORES Y TRANSMISORES DE TEMPERATURA
Un instrumento medidor capta la variable, la acondiciona y presenta la información
al usuario mientras que un transmisor es un instrumento que capta la variable del
proceso y la transmite en forma normalizada a distancia a un instrumento
receptor, indicador, registrador o controlador. En aquellos instrumentos utilizados
únicamente para monitorear la variable del proceso la etapa de presentación de la
información (visualización) es muy importante, porque supone una ¡nterfaz con el
usuario, además de las funciones que brinde el equipo. En los Instrumentos
utilizados en un lazo de control, como los transmisores, esta etapa no suele
aparecer porque la salida del instrumento se conecta directamente al controlador
sin necesidad de visualizar (medidores ciegos) también porque el transmisor está
dispuesto cerca del proceso y lejos de la estación de control.
Señal
entrada
Elemento sensorprimario
^
Elementodeconversión
wp
Bloque detratamientode la señal
Fig. 1.10 Bloques funcionales generales de un instrumento de medida
Existen gran variedad de medidores de temperatura portátiles en el mercado, que
cubren la mayoría de las aplicaciones ya que permiten tomar fácilmente la
temperatura en superficies y temperaturas internas en industrias, tanto como en
laboratorios.
Son muy utilizados por departamentos de mantenimiento para ajustar nuevas
instalaciones de trabajo y de control. Estos medidores son usados en ambientes
donde el calor o frío deben ser controlados.
Los medidores de temperatura deben ofrecer: alta velocidad y exactitud en la
medición, estabilidad de medición, calibración Automática, Compensación de
junta fría automática, Compensación de Temperatura ambiente (si usan
termocuplas).
Muchos de los instrumentos de medición usados para transmitir en aplicaciones
de control y monitoreo de procesos transmiten la información de las siguientes
maneras:
Electrónica: (4-20 mA.) distancias largas (hasta 1,5 Km.), transmisión instantánea
(0-10 VDC) distancias cortas, transmisión instantánea.
17
Neumática: (3-15 psi.) distancias cortas (hasta 400 m. si no se refuerza). La
transmisión puede necesitar varios segundos.
La transmisión más utilizada en la industria es en forma de corriente, normalmente
de 4 a 20 mA. aunque también se usa de 0-20 mA. Las señales de corriente se
usan porque son menos propensas a los errores causados por ruido o caídas de
voltaje en cables que son muy largos y por la posibilidad de conectar varios
aparatos en serie. Los acondicionadores de señal en los controladores convierten
las señales de corriente a señales de voltaje al pasar la corriente a través de una
resistencia de precisión para después poder ser digitalizada, Adicionalmente la
transmisión de corriente que se realiza en el rango de 4 a 20 mA. que suma a las
anteriores ventajas la correspondencia de los OV con 4 mA. imposibilita confundir
el valor mínimo en la escala, con la ausencia de señal a causa de una falla.
También existen transmisores con salida normalizada de voltaje 0-10 V. u otros
rangos de voltaje como de O a 5 V. (poco utilizados en la industria). Generalmente
se lo usa cuando el controlador está cerca del transmisor para evitar caída de
voltaje en los conductores.
Algunos de los Transmisores modernos que incluyen un microprocesador en su
diseño, ofrecen la posibilidad de comunicación digital con un computador además
de la indicación a través de LCD; éstos, al igual que los medidores, pueden
ofrecer auto calibración automática y corrección de temperatura digitalmente,
pocos medidores ofrecen la posibilidad de guardar datos en memoria, ésta es una
característica, más bien, de equipos de medición portátiles.
1.2.1 CARACTERÍSTICAS DE MEDIDORES Y TRANSMISORES
Además de las características generales de los instrumentos de medición también
se tiene que tomar en cuenta, para el diseño del medidor transmisor del proyecto,
las características especificas de algunos modelos existentes en el mercado.
18
La mayoría de equipos portátiles son fabricados con materiales resistentes para
trabajar en ambientes hostiles, su uso es simple, son independientes y
compactos, de pequeño tamaño y peso para un fácil transporte. Además de un.
bajo consumo.
Algunos medidores, presentan las medidas en displays de 7 segmentos o LCD
(los más costosos), con variado número de dígitos y resoluciones las cuales
permite la visualización y sirven como interfaz con el usuario; presentan opciones
accesibles con teclas, estas opciones pueden ser: rango de medida, escala de
medida (dependiendo de cada modelo); inclusive los más modernos ofrecen la
posibilidad de comunicación con el computador y almacenamiento de datos.
Con respecto a sus señales de entrada los más comunes aceptan termocupla,
RTD, o señales de milivoltios u ohmios. Algunos pueden presentar alarma por
falla de batería, o por termocupla rota y compensación de cero (si usa
termocupla).
1.2.2 MEDIDORES COMERCIALES.
A continuación, se presentan algunos medidores de temperatura comerciales, se
incluyen características físicas, técnicas y precios comerciales para poder ver que
se ofrece en el mercado y de allí sacar algunos puntos a considerar para el diseño
del medidor transmisor.
19
omega.com0Yoar OmríStop Sourco forProccss Measuretnent ana Control! Medidor de temperatura
Indicador modular de temperatura
CARACTERÍSTICAS
Entrada según modelo para termocupla tipoJ, K, T, E, R, S o B, Conexión para RTD deplatino de 3-0-4 cables, curva de 0.00385 o0.00392.
Escala Seleccionare °F / °C
Varias entradas seleccionables (403B)
Fabricante: OmegaModelo: Serie 400BPrecio: 400B VI 439 USD*
403B 695 USD*
Resolución de 1/0.1/0.01° paratermocuplas RTD y termistores.
Construcción modular, construido enaluminio.
Display 0,8" (20rnm)
omega.com8Yoar Qne-Stop Sourca fwPracess Measwement antf Co/Hroíí
Medidores Portátiles
Handhelp de alta precisión
CARACTERÍSTICAS
• Conector miniatura estándar OMEGA® paratermocupla; conector para termistor típo 1/4"phone jack; Mini conector OMEGA® paraRTD.
• Técnica de medida: conversión A/D doblependiente.
• Linealización 100% digital.
• Resolución de 1/0.1 ° Seleccionable.
Fabricante: OmegaModelo: 450 SeriesPrecio: 295 USD*
Display: 0.3"(7.62 mm)
Escala °F/°C Seleccionable.
Temperatura de funcionamiento de Oa 50 °C (ambiente).
Incluye batería alcalina de 9 V vidade 2000 horas.Tamaño: 7 x 3.3 x 1.8" (178 x 84 x 46mm) peso: 9 Oz (255g).
* Precio de catalogo no incluye IVA ni envío
20
omega.com0Yoar Qna-Stop Soutce far Process Measurement and Control! Medidor de temperatura
Medidor de temperatura con display de LEDs
Fabricante: OmegaModelo: DP116-JC1Precio: 195 USD*
CARACTERÍSTICAS
• Entrada para termocupla y RTD.
• Precisión con termocuplas:
Con resolución de 1.0° ±2.7°F (±1.5°C) + 1
Con resolución de 0.1 ° ±1.8°F (±1 °C) + 1
• Precisión con RTD:
Con resolución de 0.1° ±0.5°F (±0.3°C)+0.2%
• Velocidad de lectura: 2.5/seg.
Tiempo de respuesta: 1 seg.
Display de 3 1/2 Dígitos, de 0.56" (14.2mm).
Alimentación: 115 Vac, ±15%, 50/60 Hz
Potencia de consumo: 2 watts.
Dimensiones: 24 x 72 x 120 mm (0.94 x2.83 x 4.72") Peso: 7 02. (200 g)
Panel para montaje: 3 /64 DIN, 22.2 x68 mm (0.87x2.68").
Medidores PortátilesTermómetro con entrada Dual tipo K para trabajo pesado
Fabricante: EXTECHModelo: 421307Precio: 100 USD*
CARACTERÍSTICAS
La entrada dual tipo K provee lecturadiferencial y función de Data Hold.
Rango de -50 a 1300°C (-°58 a 2000°F)selecciónatele.
Precisión de 0.3%, resolución de 0.171°,escala °C/°F seleccionable.
Incluye Batería de 9 VDC, Cubiertaprotectora con soporte, y sonda detemperatura.
Dimensiones: 7.6" x 3,6" x 2.1" (192 x91 x 53mm); Peso: 13 oz. (365 g).
Pantalla grande 0.8" (20mm) 3 1/2Dígitos.
' Precio de catalogo no incluye IVA ni envío
21
Medidores PortátilesTermómetro con entrada Dual tipo K y aimacenamiento de Datos
Fabricante: EXTECHModelo: 422130Precio: 230 USD*
Software compatible conWindows para captura,almacenamiento, gráfica yanálisis de datos.
CARACTERÍSTICAS
Entrada Duaí para termocupla tipo K o J
Tiempo de registro ajustable de 1segundo a 60 minutos.
Usuario puede guardar hasta 8,000medidas.
Transferencia de datos a un PC paraanálisis vía interface RS232
Reloj de tiempo real
Lecturas Min/Max/Prom y diferenciales
Rango para Tipo J: -190 a 760 °C (-310a1400°F)
Rango Tipo K: -190a1333°C (-310a2431 °F)
0.1% precisión en la lectura con 0.1° deresolución
Incluye batería de 9 VDC, disquete consoftware para Windows, Cable RS-232 ycubierta protectora.
Tamaño: 5.7 x 2.78 x 1.4"(145 x 68 x35mm) peso: 8.3 Oz (235g)
Transmisor Universal de TemperaturaEntrada para Termocupla o RTD provee salida lineal de 4-20mA.
Fabricante: EXTECHModelo: 40500kPrecio: 113+IVA
CARACTERÍSTICAS
Entrada programable para Termocuplatipo J, KoPtIOO.
Amplio Rango de temperatura ajustablepor el usuario (32 a 1470 °F/ O a 800°C)
Compensación de juntura fría (CJC)
Fuente para transmisión de 12-36 VDC
Salida de 4-20mA con 0.06% delinealidad y 0.1% de precisión en FS.
Construcción de cubierta en ABS.
Rango Configurable de temperatura conajustes de Zero/span que habilita alusuario establecer la salida de 4 -20mA. en el rango escogido.
Dimensiones: 1.69"(d) x 1.12"(h) (40 x28 mm); Peso: 0.8 oz.
Fácil montaje en el cabezal del sensor
22
1.3 EQUIPO MEDIDOR-TRANSMISOR A DISEÑAR
Considerando las características tanto físicas como técnicas de los equipos
disponibles en el mercado se decidió construir un medidor-transmisor de
temperatura que cumpla ia mayoría de ellas, y aumentar otras que darían mayor
versatilidad al equipo en cuestión.
El medidor transmisor será capaz de medir la temperatura de un proceso dentro
del rango de temperatura de O a 250 °C. mediante una termocupla tipo K. Además
medirá la temperatura ambiente usando un LM35. Las dos variables podrán ser
visualizadas en una pantalla LCD que sirve como interfaz con el usuario. Contará
con tres teclas para la operación del mismo e interfaz serial RS232 para
comunicarse con un PC. Tendrá alarma de termocupla abierta, indicador de nivel
de baterías, también podrá detectar cuando una carga esté conectada al
transmisor de corriente que entregará la salida normalizada de 4 - 20 mA.
correspondiente a la medida registrada por la termocupla en el rango establecido.
También se tomaron en cuenta algunas especificaciones físicas, como que el
equipo tiene que ser pequeño y liviano. El Equipo será portátil y completamente
independíente para lo cual contará con un banco de baterías recargables internas.
Además, tendrá Memoria de usuario que no se pierde aun cuando el mismo
apague el equipo y también contará con indicación de reloj en tiempo real.
Para lograr un equipo con estas características, el equipo tendrá un
microprocesador que proveerá las características de versatilidad necesarias y
controlará el funcionamiento del mismo; se tendrá además un reloj en tiempo real
(RTC), una pantalla LCD en la parte frontal con caracteres grandes que permita
fácil lectura y teclas en la parte frontal izquierda para la operación.
CAPITULO 2
DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE
23
CAPITULO 2
DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE
2.1 CONSIDERACIONES GENERALES
En este capítulo se describe el proceso de diseño de las etapas del hardware del
medidor transmisor de temperatura para termocupla tipo K. El equipo consta de;
una entrada para termocupla K, un display LCD 2x16 en el que se podrá visualizar
las temperaturas medidas del proceso y de ambiente, indicación de reloj en
tiempo real, indicador de nivel de batería, comunicación serial y salida de corriente
de 4 -20 mA.
Para poder seleccionar los componentes, primero se definen los bloques
fundamentales que forman parte del sistema.
Fuente deAlimentación ymonitor de red
Acondicionamientode las señales
análogas
Transmisor de
corriente 4-20 mA, ComunicaciónSerial
Interfaz conel usuario
E
i
KTC
LCD
Teclas
Fig. 2.1 Diagrama en bloques básicos del sistema a implementar.
CONTROLADOR CENTRAL: Es e1 responsable de coordinar el funcionamiento de
todo el sistema y sirve para el procesamiento digital de ía información, atender la
interfaz con el usuario, tratar las señales digitales y mostrarlas al usuario, etc.
24
CONVERSOR A/D: Es el encargado de convertir las señales análogas en señales
digitales para su posterior procesamiento digital.
MEMORIA EEPROM: En ella se encuentran los datos guardados por el usuario
que permiten apagar el equipo sin que se pierdan los datos
INTERFAZ CON EL USUARIO: Teclado, Display, RTC y Comunicación serial para
'9' ejercer el control sobre el sistema y brindar información sobre su estado.
ACONDICIONADOR DE SEÑALES ANÁLOGAS: Es el que transforma la
temperatura medida por la termocupla y el sensor de temperatura ambiente
(LM35) en señales de voltaje para que puedan ser utilizadas posteriormente.
ALIMENTACIÓN Y MONITOR DE RED: Para proveer y garantizar niveles de
voltaje apropiados de acuerdo a las características de los elementos utilizados.
t TRANSMISOR DE CORRIENTE: Convierte la señal del acondicionador en salida
normalizada de corriente para poder ser enviada a distancia a un circuito de
control.
2.2 CONTROLADOR CENTRAL
El controlador central es e! responsable de coordinar el funcionamiento de todo el
sistema: atender la ¡nterfaz con el usuario, tratar las señales digitales y mostrarlas
al usuario, etc. Todas estas tareas requerían de un procesador rápido para
permitir un funcionamiento seguro y confiable del equipo, a la vez el consumo y el
tamaño físico debían reducirse al mínimo.
Por todos estos motivos, se optó por una arquitectura de microcontrolador PIC.
Además se contaba con una cierta experiencia en el desarrollo de aplicaciones
con este tipo de microcontroladores y se tenía a la mano la información necesaria
para el funcionamiento, ya que los paquetes de software que se manejan son de
uso libre y pertenecen a Microchip Corp.
25
2.2.1 JV1TCROCONTROLADORPIC16F877
Peripheral Interface Controllers, o PICs. son microcontroladores construidos bajo
una arquitectura RISC (reduced instruction set code). Operan efectivamente a una
instrucción por ciclo de máquina con un oscilador de alta frecuencia de hasta
20Mhz obteniendo por cada ciclo de máquina 200ns. Esto hace a los PICs
relativamente rápidos para un microprocesador de 8-bit
1C1VDD
MCURÍ/THV
RAO/»*)RA1/AM1RA2/X>t2RA3/AN3RA4/TOCKI
REQ/RDrfAM-BR1M MííS7AhlfiF1E2 ("CSíf /AN7
GSCl̂ LWNOSC2>CUKCÜTRCOíTIOSORC1/T1OS1RC2/CCP1RC3/SCKRCO/PSPORDÎ SPI
vss
PGCrfí&SRB5RB4
PGM/RB3RB2R61
IHT/RDO
PSP7/RD7PSP6/RD6PSP5/R05
RX/RC7
5DOÍÍC5
RD3íPSP3RD2ípSP2
Sp PIC1BF877PV1
Fig. 2.2 Microcontrolador PIC16F877
El data sheet del PIC16F877 puede ser usado como referencia para detalles más
completos del microcontrolador, el cual se encuentra en los anexos.
2.2.1.1 Características delPIC16F877
El dispositivo tiene 32 líneas I/O, distribuidas en 5 puertos de entrada y/o salida.
Cada una de estas líneas puede ser asignada independientemente como entradas
o salidas. Muchos de estos pines tienen múltiples funciones, y la implementación
de estas funciones son programables usando registros de control. Estas líneas
son usadas para unir los dispositivos periféricos. Además cuenta con un set de 35
instrucciones y modo SLEEP en el cual el microcontrolador entra en bajo
consumo.
s26
Una característica que hace al P1C diferente de otros consoladores, es la
capacidad de manejar directamente periféricos, ya que en sus puertos de
entrada/salida cada pin I/O puede consumir 25 mA. y proveer hasta 20 mA.
Además la corriente total de salida del puerto B es 100 mA. y su corriente de
disipación de 150 mA.
El PIC será utilizado para digitalizar las señales de temperatura y mostrarlas al
usuario, también se utilizará para manejar los periféricos como el LCD, el reloj en
tiempo real (RTC) y manejo de memorias, como parte de la interfaz con el
usuario.
2.2.1.2 Asignación de pines del microprocesador
#12nj
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
NOMBRE
MCLR
RAO
RAÍ
RA2
RA3
RA4
RAS
REO
REÍ
RE2
VDD
VSS
OSC1
OSC2
RCO
RC1
RC2
RC3
RDO
RD1
I/O
IIIIVref.
I
-
1
-
-
-
-
-
-
I/O
170
170
I/O
0
0
DESCRIPCIÓN
Reset manual
Termocupla
LM35
Mon. Batería
2.56 VDC
Detector de Tx.
-
Alarma TC
-
-
5 VDC
GND
XTAL 4 MHZ
XTAL 4 MHZ
RTC (DO)
RTC (DI)
RTC (D2)
RTC (D3)
LCD (DB4)
LCD (DBS)
#
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
NOMBRE
RD2
RD3
RC4
RC5
RC6
RC7
RD4
RD5
RD6
RD7
VSS
VDD
RBO
RB1
RB2
RB3
RB4
RB5
RB6
RB7
I/O
0
0
I/O
170
O
I
0
0
0
0
-
--
-
-
-
IIII
DESCRIPCIÓN
LCD (DB6)
LCD (DB7)
RTC (AD_W)
RTC (CS)
RS232-TX
RS232-RX
LCD(Rs)
LCD (E)
RTC (READ)
RTC (WRITE)
GND
5 VDC
RTC (IHz)
Botonl
Boton2
Boton3
Tabla 2,1 Utilización de los pines del P1C16F877,
27
Esta designación de pines de entrada salida describe el uso de los puertos para ei
control y manejo de los periféricos.
2.2.1.3 Conversión A/D
Dentro del diseño del equipo, el conversor Análogo Digital es otra función utilizada
del microcontrolador PIC, con el fin de poder realizar labores de medidas de
naturaleza análoga como temperatura y nivel de baterías.
El P1C16F877 cuenta con 8 canales análogos de entrada para colocar 8 señales
de este tipo. Los ADC son dispositivos capaces de proporcionar una señal digital
cuyo valor es directamente proporcional a la señal análoga que se encuentra a su
entrada. El conversor A/D es la única parte del microcontrolador capaz de operar
mientras el dispositivo está en modo SLEEP (bajo consumo).
Tres canales análogos son utilizados, dos de ellos para entrada de voltaje
correspondiente a las señales de temperatura, la primera proviene del
acondicionador de la termocupla y el segundo • directamente del sensor de
temperatura ambiental LM35, el tercer canal es utilizado para sensar el voltaje de
la fuente de alimentación que pueden ser las baterías internas. En el sistema, el
dispositivo entra en modo SLEEP después de comenzar la conversión A/D ya que
el PIC así lo permite si el conversor A/D es utilizado con un oscilador RC interno,
de este modo el ruido digital desde el módulo en SLEEP es detenido.
Estos son algunos de los parámetros más importantes que caracterizan a los
conversores A/D:
Margen de entrada: En general, son los niveles de voltaje mínimo y máximo (a su
entrada) que pueden convertir. El voltaje mínimo (o inferior) a la entrada se
convierte en un cero digital a la salida, mientras que el voltaje máximo (o superior)
se traduce en unos a la salida.
28
Ya que el equipo mide de O a 250 °C y las señales provenientes de los sensores
de temperatura después de su acondicionamiento son de 10 mV/°C. el margen de
entrada utilizado es de O - 2.5 V.
Resolución: de cuántos bits digitales se dispone a la salida. Cuántos más bits
tenga un conversón, de más resolución será su medida. Valores típicos son 8, 12,
16, 20, etc. Los conversones A/D que usa el PIC16F877 son de 10 bits, con los
que se utiliza un formato 8,2 que significa que la parte entera de la medida será
representada con 8 bits y los dos bits restantes se utilizara para representar la
parte decimal, con lo que se puede obtener medidas de temperatura de O a 250
°C con pasos de 0.25 °C.
Tiempo de conversión: Es el tiempo que tarda en realizar una conversión desde
el instante en que recibe la orden. Se utiliza el conversor A/D con oscilador RC
también interno con lo que se obtiene tiempos de conversión típicos de 2 a 6 jj.s
según información del fabricante.
Precisión de la conversión: La precisión absoluta especificada para el conversor
A/D incluye la suma de todas las contribuciones por error de cuantización, error
integral, error diferencial, error a plena escala, error por offset. EL error absoluto
es definido como la diferencia entre el valor actual y valor ideal. E! error absoluto
del conversor A/D está especificado como < + 1 LSb para VDD = Vref (sobre las
especificaciones del rango de operación del dispositivo). El error de cuantización
típico es ±1/2 LSb y está inherente en el proceso de conversión de análogo a
digital. La única forma de reducir el error de cuantización es incrementar la
resolución del conversor A/D o hacer sobre muestreo,
2.2.1.4 Memoria
Todas las memorias utilizadas por el equipo son internas del PIC16F877, el cual
cuenta con los siguientes tipos de memoria:
29
Memoria de datos RAM: Memoria de Acceso Aleatorio; del tipo volátil permite al
programa leer y escribir en cualquier zona de la memoria en forma aleatoria.
El microcontrolador contiene también 368 bytes de memoria de datos RAM.
Muchas de estas localidades fueron usadas como registros de uso general y
específicos en el programa, como contadores, registros auxiliares y de control.
Memoria EEPROM interna: EEPROM (E2 PROM): Memoria Programable y
Borrable Eléctricamente de Solo Lectura. Las EEPROM pueden borrarse
eléctricamente y programarse con nuevos contenidos. Son del tipo no volátil.
Dentro de los 256 bytes de EEPROM interna del microcontrolador, varios registros
son usados cuando el usuario desea guardar datos en una memoria no volátil,
dentro de los cuales se almacenan datos como temperatura del proceso, del
ambiente y la hora en la que fueron almacenados estos datos, esto se lo hace en
bloques de memoria asignados para cada bloque de datos; de este modo si el
usuario del sistema apaga el equipo no se perderán los datos almacenados en él.
Memoria de programa FLASH: Las memorias FLASH EEPROM son un nuevo tipo
de memoria EEPROM, con mayor velocidad de acceso, del tipo no volátil en
donde pueden borrarse y almacenarse nuevos contenidos, haciendo más fácil la
programación del PIC (reprogramables).
OOOOh0005hOOAOhOliOh0220h0255h0263H0480h04bOh0525h055AK0600h06C4h1KFFH
InicioInicialización PIC, LCD, serialPrograma principalRutina de presentación de memoriasRutina de escritura en LCDRutinas de retardoRutinas de InternipciónAdquisición de Temperatura de procesoAdquisición de Temperatura ambienteRutina de monitoreo de bateríaRutina lectura/escritura en EEPROMTablasPin
Tabla 2.2 Mapa de memoria de programa
30
El PIC16F877 contiene 8 Kwords de 14-bit de memoria flash de programa de los
cuales se ocupa 1.5 Kwords en el programa que contiene la lógica del equipo.
2.2.1.5 Comunicación serie
El PIC16F877 cuenta con un puerto serial (USART), que mediante una conexión
Full Dúplex serial RS232 puede conectarse con una PC. De esta forma es posible
obtener el valor de la variable medida por el equipo y memorias, presentándolo en
la pantalla de un computador personal.
2.2.1.5.1 Propiedades de la conexión
La conexión con la PC se realiza a través de una interfaz serie asincrónica del tipo
RS232. Las características de la conexión son:
-Velocidad: 9600 baudios
-1 bit de inicio i- 8 bits de datos
-1 bit de parada
- Sin paridad
Como la tensión de operación del equipo es de 5 voltios, es necesario un circuito
que traslade estos niveles de tensión a aquellos compatibles con RS232, el que,
requiere lógica negativa, donde "1" lógico va de -3 V a -12 V y "O" lógico está
entre +3 V y +12 V. Se utilizó un circuito integrado del tipo MAX232 de Maxim
Corp, para la comunicación serial. Este integrado provee 2 drivers y 2 receivers,
de los cuales se utilizan uno de cada uno y además requieren capacitores
externos de 10jj.F como se muestra en la Figura 2.3.
Se utiliza un terminal hembra DB9 para conectar al puerto serie de la PC, de tal
manera de que los datos puedan entrar a través del puerto serie COM1 o COM2
del computador.
31
2.2.1.5.2 Frecuencia de trabajo y comunicación serial
La comunicación con la PC se realiza a través del USART integrado al
microcontrolador PIC, compatible con RS232. Para este propósito, el PIC posee
un módulo generador de baudiaje que utiliza la frecuencia del cristal para poder
generar todos las frecuencias de comunicación necesarias. Para que este
generador funcione correctamente y entregue el baudiaje necesario se utiliza un
cristal de 4 MHz y capacitores de 22 pF. Con esta frecuencia se minimizó el error
según la fórmula que provee el fabricante en el datasheet para las velocidades
utilizadas generalmente en comunicaciones asicrónicas tipo RS232,
PIC1BF877
_1
_2
_i_A
~_5_7
_£_£12.
1314
4MHZ 15
HBH 1*22pF Z^ZZpplS
!» — ~ 3¿^ 20
VDDMCLR#/THV
RAO/ANORA1/AM1RA2/AN2RA3/AN3RA4/TOCK1RA5/A>MREO/RD#/AhJ5RE1AMW/AMSRE2/CSÍ/AN7
OSC2/CLKOJTRcomosoRdmosiRC2/CCP1RC3/SCKRDO^SPORD1/PSP1
vss
PODíRB7 ||
RB5 ||RB4 ~-
POM/RB3 ||RB2 g.
RB1 á|IHTíRBO ¿¿
PSP7/RD? 22PSP6/RDG ||
PSP4/RD4 |̂
TX/RCB j^j-SDO/RC5 21SDURC4 f|
RD3/PSP3 **RD2^PSP2 *i
3
5
1110129
MAX232
ci-
ca*
C2-
T1IHT21HRIO'JTR2OUT
V-
TIOUTT2OUT
R1INR2IN
|C13— ̂ 10 uF
6
~Z 1" "F
14 17 213 38 4
5
D89
-f "V-
-C >
^J
F¡g. 2.3 Circuito utilizado para la comunicación serial
2.3 INTEKFAZ CON EL USUARIO
La interfaz con el usuario debía incluir un teclado para el control ágil y sencillo de
todo el equipo por medio de diferentes funciones y algún tipo de indicación visual
para informar de su estado, además de la posibilidad de comunicarse con un PC.
32
Como interfaz se utiliza un display LCD 2x16 y tres teclas. Se necesita un reloj en
tiempo real para conocer e! tiempo y una conexión serial RS232 con la que el
equipo se conecta a una PC.
2.3.1 VISUALIZACIÓN CON PANTALLA BE CRISTAL LIQUIDO (LCD)
Se empleó un visuaüzador o display de cristal líquido LCD 16230A de OPTREX
Corp, basado en el controlador de Hitachi HD44780. Este display cuenta con dos
línea de 16 caracteres (2x16).
Su conexión al sistema es simple, el número de terminales de salida necesarios
para su control oscila típicamente entre 7 y 11, dependiendo el modo de
operación usado que se programe al iniciar el sistema. Se puede usar un bus de 4
o de 8 bits de datos, y necesita 3 bits de control: Un bit selector de
dato/instrucción, la señal de enable y el bit de lectura/escritura, aunque este último
se emplea en modo escritura siempre.
PIC1EF877
VDD
RAO/ANORA1/AN1RA2/AN2RA3/AN3RA+/TOCKIRA5/AN4REO/RDrf/ANS
OSdJCLMNOSC2.CLKOUTRCÜ/T10SQRC1/TIOSI
POD/RD7PGORB6
POK1/RB3R62RB1
IKT/RBO
PSP7/RD7PSP6/RD6PSP5/RD5
RC3/3CKRDOPSPORD1JPSP1
RXflíC?TX.RC6
SOOíRCSSDURC4
RD3.-PSP3
vss
LCD
Fig. 2.4 Diagrama de conexión del LCD
33
Para el diseño se emplea el LCD con un bus de 4 bits de datos más los 3 bits de
control. El LCD está conectado a un conector de 14 pines y es manejado en el
modo de 4 bits de datos del DB4 a DB7. La línea de RS es un bit de control que
indica si la información enviada es dato o instrucción para el controlador del LCD.
La línea R/W selecciona la acción de lectura o escritura, ésta está puesta a tierra
en modo de escritura siempre. El bit de control E (enable) habilita el LCD para
cualquier acción. Las líneas de datos del LCD que no son utilizadas se las coloca
a tierra como se muestra a continuación en la Tabla de asignación de pines y en
la Figura 2.4 que muestra las conexiones del LCD.
PIN No.
12
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Nombre
Vss
Vcc
Yee
RS
R/W
E
DBO
DB1
DB2
DB3
DB4
DBS
DB6
DB7
I/O
-_
-
I
I
II/O
I/O
170
I/O
yo170
I/O
I/O
Descripción
GKD
+5V
Ajuste del contraste
0 = Escribir en el LCD
1= Leer del LDC
0 = Instrucción
l=Dato
habilitación LCD
Bus de datos (GND)
Bus de datos(GND)
Bus de datos(GND)
Bus de datos(GND)
Bus de datos 1(LSB)
Bus de datos 2
Bus de datos 3
Bus de datos 4(MSB)
Tabla 2.3 Asignación de pines del LCD
El voltaje de control para el ajuste de contraste depende de la temperatura de
operación del LCD, en caso de utilizar un display con temperatura de operación
de O - 50 °C(16230A) el voltaje de control Vee está entre O y 5 V, siendo O V. el
valor para el más alto contraste. Si la temperatura de operación es de -20 a 70°C
(16230H), el voltaje está entre -8 y 5V, y obtiene el mayor contraste con -8 V
como voltaje en Vee.
34
2.3.2 TECLADO
El teclado del sistema consta de 3 pulsantes normalmente abiertos conectados al
microcontrolador PIC, a través de los pines del puerto B, aprovechando que el PIC
cuenta con la posibilidad de ser interrumpido ante un cambio en el estado de
algún pin del Puerto B(RB7-RB4). Para que ocurra esto, el software debe estar
configurado para actuar como una interrupción por una señal externa. Utilizando
esta característica propia del microprocesador, el sistema solamente atiende la
interrupción externa cuando alguna tecla es presionada (se usan los pines RB7,
RB6 y RB5 del microprocesador para las teclas 1, 2, y 3 respectivamente). Toda
la operación del equipo puede llevarse a cabo a través de estas 3 teclas o
combinación de éstas, las que poseen funciones diferentes en cada modo de
operación del equipo y son mostradas en la Tabla 2.4.
Modol
Modo2
Teclas 1
Se guarda datos en memoria EEPROM
Borrar bloque de memoria actual
Tecla2
+ Teclal
Incrementa hora
+ Tecla3
Incrementa minuto
Ver Siguiente bloque de Memoria
TeclaS
Menú
Menú
Tabla 2.4 Resume todas las funciones del teclado
Para el uso de los pulsantes se incluyen un circuito RC que elimina rebotes, e
incluye resistencias de 4.7 KH y capacitores de 0.1 JJ.F como se muestra en la
Figura 2. 5
©
POCRB6RB5
POW/RB3RB2RB1
INT/RBO
PSP8/RD6PSP5/RD5PSP4/RD')
RX/RC7
SDLRC4RD^PSPSRD2.-PSP2
sip¿0 \
" — iafe3534 4.TK:33 :
3£
27
.242322
S2P"
Í \ci \WüF L_
« •
' sap1
¡ i 1 -• \KluF 1 1
1
PIC16F877P
Fig. 2.5 Conexión de teclado
35
2.3.3 RELOJ EN TIEMPO REAL
El equipo cuenta con un reloj en tiempo real que provee de ia información de
tiempo a! microcontrolador para poder presentarla al usuario en todo momento;
este tiempo será almacenado junto con los datos de temperatura de proceso y
ambiental cuando el usuario presione la tecla que realiza esta función y este dato
se utilizará como información de referencia para el usuario.
El reloj escogido es el RTC 58321 de EPSON, es un Reloj en tiempo real CMOs
con calendario perpetuo y funciones para desarrollo de aplicaciones con
microcontroladores. Tiene un reloj interno de 32.768 KHz, y provee de registros de
reloj y calendario para años, meses, días, día de la semana, horas, minutos,
segundos con selección entre 12/24 horas, más corrección del salto de año
bisiesto y una señal de salida de referencia adicional (1 Hz.). Siendo un
dispositivo CMOS, tiene bajo consumo y es ideal para equipos portátiles.
Para su conexión al microcontrolador PIC utiliza un bus de datos de 4 bits que
van conectado de los pines DO-D3 del RTC a los pines RCO-RC4 del PIC, y
necesita resistencias de pull-up de 4.7 KQ conectadas a 5V.
Además se utilizan y conectan las siguientes líneas de control:
WRITE (Pin 2): que habilita la escritura en los registros del RTC y va conectado al
pin RD7 del PIC,
READ (Pin 3): que habilita la lectura de los registros de tiempo del RTC y va
conectada al pin RD6 del PIC.
CS2 y CS1(Pin 1 y 13): habilita al chip para que pueda realizarse cualquier
operación sobre éste, pueden ser usadas como habilitaciones por separado pero
en el equipo se utilizan como una única habilitación y es manejada a través del pin
RC5 del PIC.
ADDRESS WRITE (Pin 9): esta línea informa al RTC que el dato en el bus es la
dirección del registro que va a ser leído o escrito y es manejado a través del pin
RC4 del PIC,
36
BUSSY (Pin 10) esta salida del RTC genera una señal de IHz, y es utilizada
como entrada en el puerto B, la cual genera una interrupción que actualiza la
indicación del reloj en el LCD y registros de memoria Ram asociados con la
indicación de tiempo.
PIN No.
l
2
3
4-7
8
10
11
12
13
14
15
16
nombre
CS2
RD
WR
DO-D4
Gnd
Bussy
Stop
Test
CS1
Vcc
I7O
I
II
I/O
-0
III
-
--
Descripción
Chíp select 2: 1L se habilita el
chip
1L habilita lectura
1L habilita escritura
Bus de datos
GND
Señal de salida de IHz
Detiene el reloj
Incrementa el reloj
Chíp select 1: 1L se habilita el
chip
Desconectado
Desconectado
4-5V
Tabla 2.5 Designación de pines del RTC
Fig. 2.6 Diagrama de conexión del RTC con el PIC
37
2.4. ACONDICIONADOR DE SEÑALES ANÁLOGAS
La función del bloque de acondicionamiento de señales es tratar las señales
de salida de los sensores, típicamente pequeñas, para conseguir señales que
puedan ser usadas por el conversor A/D o e! transmisor de corriente para
enviar una señal de 4 a 20 mA. de acuerdo a la la temperatura del sensor.
Los sensores usados son;
• LM35 para determinar la temperatura ambiental.
• Termocupla tipo K para realizar la medida de la temperatura del proceso.
Termo cxip la
4-20
Trasmisor de I
Fig. 2.7 Diagrama de acondicionamiento de señales
La salida de voltaje correspondiente a la temperatura de proceso medida con la
íermocupla es acondicionada por el circuito AD595 que es un amplificador para
termocupla tipo K; después junto con la señal de! LM35, sensor de temperatura
ambiental, entran a su respectivo canal dei conversor A/D en el P1C. La señal de
la termocupla también es usada para obtener la salida normalizada de corriente.
38
2.4.1 ACONDICIONADOR DE SEÑAL DE LA TERMOCUPLA
E! acondicionamiento de la señal de la termocupla incluye funciones de
amplificación y filtrado, con este sensor se mide la temperatura del proceso y esta
señal acondicionada a su vez es usada por el conversor A/D y por el transmisor
para obtener corriente de 4 a 20 mA.
Se escogió ei amplificador para termocuplas AD595, que contiene internamente
un completo acondicionamiento para señales de termocuplas tipo K o T. Usa una
sola fuente de +5 V y provee una salida directa para medidas de 0°C a 300°C.
Puede medir temperaturas bajo O °C si se incluye una fuente de alimentación
negativa.
Internamente el AD595 tiene un amplificador con entrada diferencial precalibrado
con una ganancia de 250 y realimentación para eliminar ruido. La salida de la
termocupla es amplificada por el AD595 obteniendo una salida fija de 10 mV/°C.
Cuenta además con compensación de cero, que genera un voltaje proporcional a
la temperatura ambiental, y es sumado internamente con ia señal de voltaje de la
termocupla para compensar las características de las termocuplas tipo K o tipo T,
esto elimina la necesidad de un baño de hielo (ice bath) como referencia.
Los cables de entrada de las termocuplas van conectados a los pines 1 y 14.
Ambos directamente desde el punto de medida o a través de un conector de tipo
similar al de las termocuplas.
El AD595 posee ademas una alarma de falla, que indica si una o ambas puntas
de la termocupla están abiertas. La salida de la alarma tiene capacidad de
manejar TTL, e incluye una resistencia de 47 KQ, conectada a +5V. También se
aconseja un capacitor de 0.1 JJ.F entre VCC y GND para filtrar el ruido de la fuente,
(recomendado por el fabricante).
39
t
-TC
+TC
Fig. 2.8 Circuito acondicionador de íermocupla upo K
Para reducir el ruido el AD595 cuenta con pines de compensación de frecuencia,
al incluir un capacitor de 0.1 JJ.F. entre el pin 10 y 11 se reduce la frecuencia de
corte de 10 KHz. a 120 Hz. filtrando el ruido sobre esta frecuencia.
La termocupla tipo K conectada al AD595 va a medir temperaturas de 0° C hasta
250 °C por lo que la salida de este Cl será de O a 2.5 V. Para limitar esta salida a
2.5 V o 250 °C se conecta a un zener de 2.5 V y a un filtro pasabajo de segundo
orden para reducir el ruido en la señal.
La salida del acondicionador de termocupla AD595, presentaba una pequeña
cantidad de ruido en su señal, por eso se consideró necesaria la ¡mplementación
de un filtro pasabajos de segundo orden.
2.4.1.1 Filtro de segundo Orden
Antes de seleccionar el tipo de filtro que se va a usar, es necesario considerar el
comportamiento de los diferentes tipos de filtros existentes en el rango de
frecuencia deseado. Los filtros de los cuales se analizó su comportamiento son
filtro Butterworth, filtro Chebyshev y filtro Bessel.
El comportamiento-en frecuencia del filtro Butterworth es lo más plano en la
respuesta de magnitud en la banda de paso, la variación en la atenuación en la
40
banda de transición es mejor que un filtro Bessei, pero no tan buena como un filtro
Chebyshev, La respuesta paso de un filtro Butterworth tiene algo de rizado y
sobre impulsos en el dominio del tiempo, pero menos que un Chebyshev. Estas
características de estos tres tipos de filtros se muestran en la Figura 2,9.
i
.Chevyshev10
Phase [deg.]
-10010 10000
Frequency [HzJ
Fig. 2.9 Respuesta de los filtros en frecuencia y magnitud
Se escogió el filtro Butterworth por su comportamiento intermedio tanto en
frecuencia como en magnitud, en la configuración Sallen Key mostrada en la
Figura 2.10.
El diseño del filtro se lo realiza utilizando el Programa Filterlab de Microchip Corp.,
el que calcula los valores de resistencias, con valores de capacitores conocidos y
estándar. Todos los cálculos se realizan basados en el método de aproximación,
orden del filtro y frecuencia de corte. Más información se puede encontrar en
notas de aplicación de Microchip AN699, AN437, relacionadas con filtros
análogos.
La ecuación de diseño que usa este programa para encontrar los valores
deseados es:
VOUTVJN
S 2 +S
donde K= 1
41
KCR1R2C1C2)
1 1 K 1(2.1)
R2C1 R2C2 (R2C1) R1R2C1C2
0.47
t
Fíg. 2.10 Filtro Butterworth pasabajo de 2do Orden, configuración Sallen Key
El filtro de segundo orden Butterworth con frecuencia de corte de 100 Hz.(va!or
experimental) fue diseñado estableciendo los capacitores de C1 -0.15 p.F y C2 =
0.47 pF. y las resistencias resultantes fueron R1 = 3 KO y R2- 12 KQ. Como
amplificador operacional se utiliza el LM339, éste es un integrado dual con bajo
consumo, bajo offset y bajo ruido.
La salida del filtro va conectado a un canal análogo del conversor A/D interno del
PIC16F877.
2.4.2 MEDIDOR DE TEMPERATURA AMBIENTAL
Se utiliza el sensor LM35 para medir la temperatura ambiental que será mostrada
en el LCD, como una opción más del equipo.
EL LM35 es un dispositivo de tres terminales que produce voltajes de salida
proporcionales a la temperatura en °C (10mV/°C). Así, el voltaje de salida nominal
a 25 °C es 250mV y 1 V a 100°C. Puede medir temperaturas bajo los 0°C usando
una resistencia pull-down.
42
El sensor posee 3 terminales (Vcc, tierra, y salida), un capacitor de 0.1 jj,F es
incluido entre Vcc y GND por recomendación del fabricante.
Vcc (+5 a 20 V)
isalida
= -t-10mV/°C
Fig. 2.11 Conexiones típicas del LM35
La salida del LM35 entra directamente en otro canal del conversor A/D.+5V
PSP7/RD7PSPBÍRDHPSPOTD5PSP-1/RCH
RXÍÍC7TX/RC6
SDOÍÍC5
PIC16F877P
Fig. 2.12 Circuitos de acondicionamiento de las señales análogas
Como voltaje de referencia para el conversor A/D se utiliza un zener de 2.5 V, con
un potenciómetro para la calibración. Se trata de obtener un voltaje de referencia
de 2.56 V, junto con la resolución del conversor de 10 bits se obtienen 1024 pasos
con variación 10mV/°C. es decir una resolución de 0,25 °C.
43
2.5 TRANSMISOR DE CORRIENTE
El transmisor transmite la variable captada por e! sensor, en señales de corriente.
El rango de salida del transmisor va de 4 - 20 mA. Sin embargo, los controladores
leen señales de voltaje, entonces se usa una resistencia de carga para convertir
los 4 - 20 mA. en señal de voltaje aplicando la ley de Ohm V = IR. Como se indica
en la Figura 2.13, se necesita que una fuente de voltaje DC alimente al
transmisor.
Trasmisorde 2 Hilos
44
XTR116 (Vin) que va de O a 2.5 V, este voltaje que dividido por una resistencia de
entrada (Rin) da como resultado: a O V. una corriente de entrada de O joA y a 2.5 V
una corriente de entrada de 160 joA, la cual debe ser sumada a una corriente de
desplazamiento constante de 40 pA, obtenida al dividir el voltaje de referencia que
entrega el mismo XTR116 de 4.09 V, por una resistencia R de 102,2 KH, para
obtener una corriente total de entrada que va de 40 \jA. hasta 200jjA. que
amplificada 100 veces da como resultado una corriente de salida de 4 - 20 mA,
Para la salida se usa un transistor n-p-n para manejar la corriente de salida.
XTR118:4.096V
VQirt(10mWC)-VJn
Fig. 2.14 Conexión del transmisor de corriente en base al XTR116
Resumiendo se tiene:
lo= 100*l in
lin = Vin/Rin + Vref/R
lo(0) = 1 00 * (0/Rin + 4.09/1 02.200) = 1 00 * (40 ) jjA = 4 mA.
lo(2.5) = 100 * (2.5/Rin + 4.09/102.200) = 100 * (160 + 40) pA = 20mA.
Rin es 15625 n, que se obtiene con una resistencia de 12 KO y un potenciómetro
de 5 KO en serie, este potenciómetro puede ser usado para calibrar la pendiente
de la salida de corriente.
45
2.6 ALIMENTACIÓN Y MONITOR DE BATERÍA
2.6.1 TENSIÓN DE OPERACIÓN
El microcontrolador, alig'uáí que el resto de los componentes digitales y análogos
del sistema operan con 5 Voltios. La tensión de 5V es suministrada por la fuente
regulada de voltaje LM78L05, a través de la alimentación con un adaptador de
7.5-12v y/o un banco de baterías recargables de Níquel - Metal hidruro de 1.25
cada una obteniendo 5 V y 650 mAh. que da al equipo una autonomía de 15 horas
teóricamente. El regulador de voltaje tiene como protección de polarización a la
entrada un puente de diodos, y una resistencia R5 de protección en caso de
cortocircuito, esta resistencia es de 27 Q. calculado para que en operación normal
(33 mA.) exista en ésta una caída de 0.89 V.
9-15 Vdc 2V
o••
V
•
•
IN -j
Gt
t-OUT
MD
Uv
ic
•i
..
mmr
J
••iím
21
\*
S?
LM339A
\JD
R3
22
LM317L.
CONN BATT
—
10'>
ICO
CQX
Fig. 2.15 Circuito de alimentación y monitoreo de batería
Para la carga de las baterías se utiliza un circuito en paralelo al de alimentación
con el 7805, e! cual utiliza un regulador LM317 como fuente de corriente constante
que entrega 50 mA.- a las baterías, obteniendo un tiempo de carga aproximado de
12 horas.
46
Un tercer canal del conversor A/D se utiliza para monitorear el voltaje de entrada
del equipo utilizando un divisor de voltaje a la entrada y un seguidor de voltaje
implementado con el otro operacional del LM339, tanto cuando éste es alimentado
por batería interna o adaptador, con lo que se puede, por medio de software, dar
avisos de carga de batería. El objetivo es el de siempre garantizar niveles de
voltaje necesarios para que los eíemerltos utilizados trabajen correctamente.
i2.7 CIRCUITO FINAL IMPLÉkENTÁDO
Una vez descrito cada uno de los bloques que componen el equipo, se indica
finalmente el circuito resultante en el esquemático a continuación.
'•*<.*,
'
RN
2
OSC
2/CL
KOUT
RO
VIIO
SO
RC
1/T
1OS
IR
C2/
CC
PÍ
RC
3/S
CK
RD
O^S
PO
RD
1/P
SP
1V
SS
07/2
0030
8:48
:10a
f=0
.90
C:/C
ircui
to f
inal
.sch
(S
heet
: 1/2
)
CAPITULO 3
DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE
48
CAPITULO 3
DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE
En este capítulo se describe la lógica necesaria que es posible implementar con
las etapas de hardware descritas en el capítulo anterior, para el medidor
transmisor de temperatura para termocupla tipo K, basado en el microprocesador
P1C16F877 de Microchip Corp.
El software desarrollado consta de tres partes:
- Software de operación del PIC
- Software de interfaz con el usuario
Programa para la PC
3.1 SOFTWARE DE OPERACIÓN DEL PIC
3.1.1 ASPECTOS FUNDAMENTALES
El software para el funcionamiento del PiC y sus componentes se desarrolló en
Lenguaje ensamblador, utilizando el paquete Mplab de Microchip,
En el programa principal del PIC, se inicializa el sistema configurando los
parámetros para el funcionamiento del PIC, como bits de puertos para entrada o
salida, se inicializa los controladores para el manejo de RTC y LCD, y se
establecen las diferentes fuentes y rutinas de interrupción y la comunicación
serial.
El programa principal cuenta con dos modos de operación: El primer modo es e!
que se encarga de la adquisición de las señales y datos, mientras que el segundo
modo se encarga del manejo de memorias. Estos dos modos pueden ser
accesados de acuerdo al puntero Modo que es modificado ai puísar /a tecla 3
(menú) que cambia el registro (modo) apuntando al siguiente modo de operación.
49
El programa principal se desarrolla básicamente como indica el diagrama de flujo
de la Figura 3.1.
( inicio )
Inicializar PIC, Configurar; LCD, RTC, Com. serial, ysubrutinas de interrupción
Verificar valor del puntero deModo
No
Fig. 3.1 Diagrama de flujo del programa principal
3.1.2 INTCIALIZACION
La inicialización del sistema consiste en la configuración del PIC después de un
reset y en el establecimiento de los parámetros iniciales para el funcionamiento
del equipo, así como la designación de líneas de entrada/salida de los diferentes
puertos y la habilitación de fuentes de interrupción a ser utilizadas en el desarrollo
del programa que son:
Interrupción AD, generada cuando la conversión ha sido finalizada y sirve para
despertar del modo SLEEP en el cual entra el PiC al comenzar la conversión.
- Interrupción externa, generada por cambio en uno de los pines del puerto B
utilizada para el manejo de teclado y actualización de la indicación de tiempo.
- Interrupción por recepción en el puerto serial, utilizada para la comunicación
con una PC.
50
Como parte de la ¡nicialización se establece el uso de la comunicación serial con
que cuenta el PIC y usando los registros de la Tabla 3.1 se configura:
- La velocidad de comunicación utilizando el registro SPBRG, considerando el
uso de un cristal de 4 MHz. para la operación del PIC.
- Habilitar el puerto serial y establecer una comunicación asincrónica que
significa que no se usa una señal de reloj en la comunicación.
- Configurar parámetros para la transmisión (TXSTA) y la recepción (RCSTA)
Banco
I
0
1
Nombre
TXSTA
RCSTA
SPBRG
Dirección
98h
ISb
99h
Bit?
CSRC
SPEN
Bit 6
TX9
RX9
Bit5
TXEN
SREN
Bit 4
SYNC
CREN
Bit3— .
ADDEN
Bit 2
BRGH
FERR
Bitl
TRMT
OERR
Bit 0
TX9D
RX9D
Registro generador de Baud Rate
•
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