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

•