TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ZACATEPEC INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA INSTRUMENTACIÓN – KB – EQUIPO 3 DOCENTE: JORGELI RIQUELME ARIZMENDI CASTILLO JAHEN JUAN R. MARTINEZ LÓPEZ BRANDON MENDOZA CORAZÓN ADRIAN VALDEZ BAHENA ADOLFO

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PRÁCTICA 7

SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA CON REFERENCIA POR PC

INTRODUCCIÓN

La instrumentación electrónica se aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas (como la temperatura), a partir de las cuales se realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas. Un elemento imprescindible para la toma de medidas es el sensor que se encarga de transformar la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. Un ejemplo de amplificador es el amplificador de instrumentación, que es muy inmune a cierto tipo de ruido. No sólo hay que adaptar niveles, también puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que hay que linealizar el sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser por hardware o software, en este último caso ya no es parte del acondicionador. El controlador de temperatura es un dispositivo con el cual se establece la temperatura que se desea de un medio ambiente, con este dispositivo se monitorea la temperatura y se produce una orden de cambio de ésta misma, para, por ejemplo, manipular el clima en una incubadora de huevos fértiles durante el tiempo suficiente para interferir en el crecimiento normal y el desarrollo del embrión. Las incubadoras de huevos son máquinas de gran importancia en la industria avícola, pues de su buen desempeño depende una tasa alta de eclosión y por lo tanto una producción exitosa que conlleve a mayores dividendos para la compañía.

OBJETIVO.

Diseñar e implementar un sistema de control de temperatura tomando como temperatura de referencia un valor ingresado desde LabVIEW.

MARCO TEÓRICO

El sistema utilizado en el desarrollo de esta práctica para llevar a cabo el control de temperatura está basado en Arduino Uno interfaz con LabVIEW, además, un sensor (LM335) mide la temperatura ambiente, un dispositivo de control (DAC0800) envía una señal eléctrica proporcional a la temperatura deseada y un actuador modifica el flujo de calor del proceso para ajustar la temperatura ambiente con la temperatura deseada.

Es importante conocer algunos conceptos relacionados con los elementos necesarios para desarrollar esta práctica como son:

Elemento detector: Un sensor de temperatura LM335 conectado al pin A0 del Arduino Uno. Sirve para obtener una medida de la temperatura a la que se encuentra el sistema.

• Sensor LM335. Sensor de temperatura el cual tiene como características principales: que su valor va incrementando 10mV/°K, su temperatura de operación está entre -40°C a 100°C, y su corriente de polarización desde 450 μA a 5 mA.

Valor medido To: Es la señal de salida del elemento medidor (sensor de temperatura LM335) correspondiente a la variable del sistema a controlar.

Valor fijado Ti: Este es el valor de la referencia a la que se fija el control automático, es decir, es el valor deseado de la temperatura. Este valor se ajusta enviando una señal digital de 8bits correspondiente al valor de la temperatura ingresada a través de una interfaz gráfica en LabVIEW, a un DAC0800 que la convierte a una señal analógica desde 0 a 5V.

• Convertidor Digital-Analógico DAC0800. Este convertidor es del tipo R-2R de 8 bits. El circuito necesita produce una tensión analógica para una entrada digital, según un factor de proporcionalidad entre ambas (0.019 en este caso).

Elemento comparador: Se utiliza un amplificador sumador para comparar el valor medido con el valor fijado o de referencia.

• Amplificador Operacional LM324. Los amplificadores operacionales son aquellos en los que podemos encontrar circuitos montados que realizan operaciones matemáticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores, etc. En este caso se comparan los valores de voltaje provenientes del sensor de temperatura y la entrada de referencia (voltaje del DAC0800), y de acuerdo al resultado existe una salida.

Elemento controlador: Se aplica una señal al elemento controlador (relevador), que genera a continuación una señal de control para ser transmitida a la unidad correctora. En este equipo el elemento controlador conmuta para transmitir la señal al elemento, según las necesidades (ventilador o lámpara incandescente). Mediante el conmutador NA enciende la lámpara, y el conmutador NC enciende el ventilador.

• Relevador. Es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

DESARROLLO

Material utilizado.

DAC0800 Resistencias de 10 kΩ, 4.7 kΩ, 1 kΩ y 330 Ω. Potenciómetro de 10 kΩ. Sensor de temperatura LM335. Amplificador operacional LM324. Optoacoplador 4N25. Transistor npn BC548. Relevador de 12V. Fuente de CD (5V, 12V y -12V). Ventilador CA (127V). Lámpara incandescente. Cables para protoboard. Cables banana-caimán. Fuente de CA (127V).

Procedimiento.

El sistema de control de temperatura diseñado para esta práctica se muestra en la figura 1.

Se realizó además la interfaz gráfica en LabVIEW 2015, en ella se muestra la temperatura actual y la deseada, además un termómetro muestra la temperatura actual; se tiene la opción de cambiar la temperatura de referencia, también, se observan indicadores para conocer cuál unidad correctora (ventilador o lámpara incandescente) se encuentra encendido(a)/apagado(a). (Ver figura 2).

Figura 1. Sistema de control de temperatura (circuito diseñado en Proteus).

Figura 2. Interfaz gráfica para el sistema de control de temperatura en LabVIEW 2015.

Posterior al diseño del circuito y la interfaz gráfica en LabVIEW se procedió a programar con diagrama de bloques para la comunicación entre Arduino Uno y LabVIEW haciendo uso de la herramienta de Toolkit (Interface para Arduino-LabVIEW), de este modo se simplificó la tarea de programación.

El diagrama (véase la figura 3) se puede interpretar de la siguiente manera: En primer lugar se inicia con un recuadro (ciclo “While Loop”) que ejecuta todo dentro de el hasta que haya un error o el usuario seleccione la opción “parar” en la figura 2, después, se inicia y finaliza la comunicación con arduino (init-close). Dentro del ciclo While Loop se leen los voltajes analógicos por los pines A0 y A1 del Arduino Uno, correspondientes al sensor de temperatura y al DAC0800 respectivamente. Se convierte el voltaje del sensor a temperatura en °C y se visualiza en la gráfica y el termómetro de la interfaz gráfica. Se convierte la temperatura de referencia a un número binario de 8 bits y se le envía al DAC0800 por los pines digitales 2-9, éste lo convertirá a un voltaje analógico proporcional al número binario enviado a sus terminales de entrada. Se convierte el voltaje del DAC0800 a temperatura en °C y se compara con la temperatura del sensor para encender/apagar los indicadores de los elementos de control (ventilador y lámpara incandescente).

RESULTADOS

En la figura 4 se muestra el circuito con armado en protoboard, su funcionamiento fue con un error aproximado de ±1 y ±2 °C, el ventilador o la lámpara no se encendían/apagaban siempre inmediatamente después de superar la temperatura de referencia, había una holgura debido a la resolución del DAC0800 y del sensor de temperatura.

Figura 3. Diagrama de bloques en LabVIEW 2015 utilizando Toolkit interfaz con Arduino Uno.

CONCLUSIÓN

Se logró controlar la temperatura enviando y recibiendo señales digitales/analógicas mediante la comunicación entre arduino y LabVIEW, la temperatura ambiente oscilaba entre ±2°C de la temperatura deseada, esto supone un problema para aplicaciones como una incubadora donde los parámetros de error son menores a 1°C, se puede lograr esto linealizando el sensor y acondicionando el DAC0800, mejorar la resolución en ambos mejoraría la adquisición e interpretación de datos.

Se cumplieron los objetivos planteados que fueron diseñar e implementar un sistema de control de temperatura por comunicación microcontrolador-PC pero puede mejorarse el circuito electrónico para mejores resultados.

Figura 4. Sistema de control de temperatura con referencia por PC.