Trabajo colaborativo

Tema 5: diseo un sistema de comunicacin de datos

Instrumentacin y mediciones

Cesar Otlora

C.C 94529351

Grupo 201455_20

Tutor:HUGO ORLANDO PEREZ NAVARRO

Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD10 de octubre del 2014Cali- valle

Introduccin

En el presente trabajo se implementa una aplicacin del puente de Wheatston para el diseo de una bscula electrnica utilizando un transductor (galgas extensiomtricas). Se describe el acondicionamiento de la seal por la deformacin de la galga, las diferentes etapas del circuito, el amplificador de instrumentacin, el filtrado y conversin anloga/digital. Se muestra la importancia de las galgas extensiomtricas y las diferentes aplicaciones de este transductor en la industria El diseo de los sistemas de medida centra su atencin el tratamiento de las seales o magnitudes de entrada.

Los sensores y los transductores son parte fundamental para cualquier sistema electrnico. Las galgas extensiomtricas son dispositivos transductores pasivos que aplicados sobre un algn material fijo o elstico, permiten medir la fuerza ejercida sobre l a partir de la deformacin resultante. As, fuerzas de compresin o torsin, aplicadas sobre algn material, generan deformaciones que son transmitidas a una galga extensiomtrica, respondiendo sta con una variacin de su propia resistencia. Las galgas se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones a nivel industrial, de investigacin, ingeniera, instrumentacin biomdica, en sistemas de pesaje automtico y en todos los campos donde se requieran mediciones precisas de fuerza aplicada sobre alguna superficie

Objetivo general de la actividad

Construir un sistema de instrumentacin para medir la variable peso, utilizando un puente de Wheatston.

Sustentar el sistema de instrumentacin para medir la variable peso de acuerdo con las variables establecidas para el proyecto.

ANTECEDENTES

Fundamento de las Galgas extensiomtricas: Efecto piezoelctrico

Las galgas extensiomtricas se basan en la variacin de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecnico. Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilo metlico de longitud l, seccin A y resistividad?, su resistencia elctrica R es:

Si se le somete a un esfuerzo en direccin longitudinal, cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo tanto, R tambin cambia de la forma:

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia (Figura 1), viene dado por la ley de Hooke,

Donde E es una constante del material, denominada mdulo de Young, s es la tensin mecnica y e es la deformacin unitaria. e es adimensional, pero para mayor claridad se suele dar en microdeformaciones (1 microdeformacin = 1e = 10-6 m/m). Si se considera ahora una pieza que adems de la longitud l tenga una dimensin transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un esfuerzo longitudinal no slo cambia l sino tambin lo hace t. La relacin entre ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:

Donde es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor est entre 0 y 0.5, siendo, por ejemplo, de 0.17 para la fundicin maleable, de 0.303 para el acero y de 0.33 para el aluminio y el cobre. Obsrvese que para que se conservara constante el volumen debera ser = 0.5. [1].

Diagrama a bloques

Diagrama de bloques del circuito:

Diagrama Esquemtico

Puente de Wheatstone

Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variacin, los cambios de voltaje de un simple divisor de voltaje son mnimos e incluso pueden confundirse con variaciones de la fuente de alimentacin (ruido); en estos casos se hace necesaria la utilizacin de un circuito llamado puente de Wheatstone, el cual se muestra en la Figura 5. Segn la Figura 5(b) En una de las ramas se coloca el elemento sensor resistivo que en nuestro caso es la galga extensiomtrica, se ajusta el potencimetro de manera que en estado de reposo de la galga el voltaje en a sea exactamente la mitad de Vcc, la otra rama debe de ser un divisor de voltaje en donde Vb sea tambin exactamente la mitad de Vcc; el voltaje de inters se toma de los puntos a y b que en estado de reposo de la galga ser 0 V, cuando vara la resistencia de sta, se presenta entonces un voltaje Vab mayor o menor a cero segn si aumenta o disminuye la resistencia respectivamente, y debido slo a la variacin de la misma, este circuito permite pues inmunidad ante los cambios (ruido) en la fuente de alimentacin y una mayor sensibilidad que se refleja en un mejor control de la informacin proveniente del sensor.

En la Figura 5 (a), la resistencia R3 representa al transductor, y sufre una desviacin segn un parmetro d, si R1 = R4 = R2, entonces:

La desviacin se causa por la respuesta del transductor que se modifican con la seal de entrada. El voltaje de salida Vab es una medida de la desviacin d. La tensin Vab es un voltaje de circuito abierto, entonces [5]:

Bffers de voltaje y Amplificador restador

Para no provocar cadas indeseadas de voltaje ni extraer corriente del puente de Wheatstone se emplea un operacional en configuracin de seguidor de voltaje, la alta impedancia de entrada de stos permite extraer la informacin del voltaje sin influir en el comportamiento del puente. Las seales del voltaje Va y el voltaje Vb entran entonces en un amplificador restador con una ganancia mxima de voltaje de 100 (ajustable). El voltaje del amplificador restador esta determinado por la siguiente ecuacin:

En el diagrama elctrico (Figura 3) se observan los elementos de la ecuacin (1.7): Ri = 10Kohm y Rf es un potencimetro de 1MOhm que ajusta la ganancia del amplificador restador [2].

DESCRIPCIN DETALLADA DE FUNCIONAMIENTO

El sensor de peso de la balanza es la celda de carga, una de las ms econmicas, tener diseo compacto, buena linealidad y ser de simple colocacin en la estructura. Esquemticamente se tiene:

PLATO

Base de apoyo Celda

La seal de la galga en la celda se acondiciona con un amplificador de instrumentacin y posteriormente se digitaliza en el microcontrolador.

Celda de carga.

La celda de carga, como sensor de peso, constituye la parte fundamental de la balanza. Se escogi una celda tipo single point o punto nico, en la cual la presin se ejerce sobre un punto especfico de su estructura, caracterstica que debe considerarse para la fijacin de la celda en la carcasa de la balanza y para la colocacin de la bandeja de pesaje.

Especificaciones Tcnicas de la Celda de Carga

Capacidad kg 40

Sensitividad mV/V 2

Tamao Mximo de la plataforma cm 35 x 35

Lmite de Carga % Cap. 150

Lmite de Ruptura % Cap. 300

Excitacin Nominal V 10

Excitacin Mxima V 15

Impedancia de Entrada Ohm 415 + 15

Impedancia de Salida Ohm 350 + 3

Tipo de Circuito de Compensacin Puente Balanceado

Largo del Cable metros 0.5

Cdigo de Color +excitacin = verde, +seal = rojo -excitacin = negro, -seal = blanco

Construccin Aluminio

Estos datos pueden ser interpretados de la siguiente forma:

La capacidad es el peso mximo al que se puede someter a la celda e incluye el peso muerto, el peso neto mximo y la tolerancia. Capacidad = Peso Muerto + Peso Neto Max.+ Tolerancia La plataforma de pesaje y su soporte forman parte del peso muerto.

La sensitividad indica el voltaje que entrega el circuito de la galga por cada voltio de excitacin, cuando est sometida al peso mximo. La alimentacin de 5 voltios est en el rango dado por el fabricante y puede usarse para la energizacin del resto de los circuitos de la balanza.

Seal Max.= Sensitividad Voltaje Excitacin

El tamao mximo de la plataforma se especifica en 35x35mm, este no debe sobrepasarse ya que puede desequilibrar la medicin dando resultados errneos y daando al sensor

Los lmites de carga y de ruptura obedecen al comportamiento de la celda misma, y para este caso indican los siguientes valores

MICROCONTROLADOR PIC 16F877

Este microcontrolador es fabricado por MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias caractersticas que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy verstil, eficiente y prctico para ser empleado en la aplicacin que posteorimente ser detallada.

Algunas de estas caractersticas se muestran a continuacin:

Soporta modo de comunicacin serial, posee dos pines para ello. Amplia memoria para datos y programa.

Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrnicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo).

Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo.

CARACTERISTICAS

En siguiente tabla de pueden observar las caractersticas ms relevantes del dispositivo:

CARACTERSTICAS 16F877

Frecuencia mxima DX-20MHz

Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB

Posiciones RAM de datos 368

Posiciones EEPROM de datos 256

Puertos E/S A,B,C,D,E

Nmero de pines 40

Interrupciones 14

Timers 3

Mdulos CCP 2

Comunicaciones Serie MSSP, USART

Comunicaciones paralelo PSP

Lneas de entrada de CAD de 10 bits 8

Juego de instrucciones 35 Instrucciones

Longitud de la instruccin 14 bits

Arquitectura Harvard

CPU Risc

Canales Pwm 2

Diagrama de Pines.

Conversor A/D.

Los microcontroladores de las familias PIC16F87x y PIC18Fxxx de los cuales estaremos hablando a continuacin, poseen un convertidor Analgico-Digital que convierte una seal analgica en un nmero de 8 o 10 bits, segn sea la configuracin elegida por el diseador. Los microcontroladores de 40 pines como el PIC16F877, se puede observar que poseen 8 canales para conversin A/D, identificadas por las siglas AN(n), las cuales se encuentran distribuidas entre el puerto A y el puerto E, como se muestra en el diagrama de pines de la figura:

En el microcontrolador PIC16F877, cada canal de conversin A/D est conectado a un pin ubicado en el puerto A y en el puerto E. Por ejemplo, el canal AN0 corresponde al pin # 2 del microcontrolador, o expresado de otra manera, al pin RA0 del puerto A. El canal AN1 corresponde al pin # 3; el canal AN2 corresponde al pin # 4 y as sucesivamente; entonces se puede ver claramente que el puerto A cuenta con cinco de los ocho canales del conversor A/D, y los otros tres canales estn ubicados en los pines correspondientes al puerto E del microcontrolador. Un punto importante a considerar al momento de utilizar el convertidor A/D,ser decidir si la conversin se har configurando el conversor a 8 o 10 bits, con lo cual a su vez estaremos definiendo la resolucin en el proceso de conversin. Esto significa que si elegimos la conversin de una seal analgica a solo 8 bits (28 = 256), los valores digitales resultantes de la conversin estarn comprendidos entre 0 y 255 (en binario es de 00000000 hasta 11111111), como se puede observar en la tabla

Cuando la conversin se hace a 10 bits, la resolucin aumenta considerablemente en relacin a la de 8 bits, ya que tenemos 210 = 1024 datos de conversin, como se puede observar en la tabla

Conexin de una pantalla LCD y el conversor A/D en Pic Basic

DISPLAY LCD.

Las pantallas LCD alfanumricas, son las ms utilizadas hoy en da en el desarrollo de proyectos o equipos electrnicos en los cuales se hace necesario visualizar mensajes de texto cortos, que proporcionen la informacin adecuada sobre un evento determinado. Las pantallas ms comunes suelen ser de 1x16, de 2x16 y de 4x16 (Filas x Columnas). Todas estas configuraciones tambin se encuentran para 20 columnas y hasta para 40 columnas.

Identificacin de los pines de una pantalla LCD: Veamos a continuacin la descripcin de cada uno de los pines de una pantalla LCD:

Pin out de un mdulo LCD con conexin a Vcc, Gnd y Control de contraste. Pin 1, 2 y 3: como se puede observar en la figura, en la mayora de las pantallas LCD, el Pin No. 1 y 2 corresponden a la alimentacin de la pantalla, GND y Vcc, donde el voltaje mximo comnmente soportado es de 5Vdc. El

Pin No.3 corresponde al control de contraste de la pantalla.

Pin 4: "RS" (trabaja paralelamente al Bus de datos del modulo LCD, Pines 7 al 14, es decir, cuando RS es cero, el dato presente en el bus corresponde a un registro de control o instruccin, pero cuando RS es uno, el dato presente en el bus corresponde a un registro de datos o carcter alfanumrico.

Pin 5: "R/W" (Read/Write), este pin es utilizado para leer un dato desde la pantalla LCD o para escribir un dato en la pantalla LCD. Si R/W = 0, esta condicin indica que podemos escribir un dato en la pantalla. Si R/W = 1, esta condicin nos permite leer un dato desde la pantalla LCD.

Pin 6: "E" (Enable), este es el pin de habilitacin, es decir, si E = 0 el mdulo LCD se encuentra inhabilitado para recibir datos, pero si E = 1, el mdulo LCD se encuentra habilitado para trabajar, de tal manera que podemos escribir o leer desde el modulo LCD.

Pin 7 al14: "Bus de Datos, el Pin 7 hasta el Pin 14 representan 8 lneas que se utilizan para colocar el dato que representa una instruccin para el modulo LCD o un carcter alfanumrico .

Pin 15-16: "Back Light", en muchos modelos de LCD, los pines 15 y 16 son respectivamente el nodo y el Ctodo,

Conexin de una pantalla LCD en Pic Basic: Una pantalla LCD puede ser conectada a un microcontrolador utilizando los ocho bits del bus de datos (D0 a D7) o solamente los cuatro bits ms significativos del bus de datos (D4 a D7). Al emplear los ocho bits, estos debern estar conectados en un solo puerto y nunca en puertos diferentes. Si deseamos trabajar solo con los cuatro bits ms significativos del bus, estos debern ser conectados en los cuatro bits menos significativos de un puerto o en los cuatro bits ms significativos del puerto seleccionado. Los pines E (Pin 6) y RS (Pin 4) pueden estar conectados en cualquier puerto del microcontrolador. Por ltimo, el Pin R/W deber estar conectado a tierra (GND) para indicar a la pantalla LCD que estaremos escribiendo, esto debido a que estaremos trabajando inicialmente solo con la instruccin Lcdout.

Obtencin del modelo matemtico del comportamiento de la galga

Debido a que el comportamiento de nuestra galga al ir colocando pesos en ella no es totalmente lineal, como se puede observar en la Figura 6, es necesaria la obtencin matemtica experimental de dicho comportamiento, para hacerlo, se colocaron pesos de 34 en 34 gramos y se midi el voltaje que se presenta a la salida del amplificador restador. Se repiti esta labor 12 veces para obtener mejores resultados, hecho esto se convirtieron los valores de voltaje a la palabra digital equivalente entregada por el ADC0804, la Tabla 1 muestra un resumen del procedimiento.

Cdigo Fuente.

El cdigo para programar al microcontrolador, por facilidad, se realiz en el lenguaje de alto nivel C, usando un compilador y traductor C Ensamblador llamado xxxxxx, el cual incluye adems una librera con funciones para el manejo de LCD con protocolo estndar como el que se usa en este proyecto. El diagrama de flujo del algoritmo se muestra en la Figura 7.

CONCLUSIONES

Los fundamentos aprendidos en asignatura nos proporcionan conocimientos bsicos sobre los artefactos elctricos, como en este caso aplicando la ley de Ohm, el conductor transmitir una seal proporcional a la deformacin de la celda de carga si al circuito se le aplica un voltaje de excitacin.

La celda de carga es la parte fundamental de una balanza ya que determina el rango de pesado y la precisin. Este sensor es uno de los ms sencillos en cuanto a principio de funcionamiento y colocacin, por esta razn actualmente casi todas las balanzas electrnicas utilizan una celda de carga a excepcin de las balanzas de aplicaciones que requieren muy alta precisin como las de laboratorio.

Una de las debilidades de la Celda de Carga es la sensibilidad al ruido, esto puede mejorarse con la tecnologa de construccin, pero sacrificando el precio del sensor, a mayor inmunidad al ruido, mayor es el precio.

BIBLIOGRAFA

Enciclopedia Libre Wikipedia http://www.wikipedia.org

Comunidad de Electrnicos http://www.comunidaddeelectronicos.com

Yo Reparo (Comunidad de reparadores) http://www.yoreparo.com

Couglin Robert, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. 5 Edicin. Prentice Hall. Mxico. 1997