Termómetro electrónico - edUTecNe
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1. Permite programar en lenguaje C y C de alto nivel con la opci n de hacerlo tambi n en c digo ensamblador La interfaz de programaci n se puede observar en la siguiente imagen Tambi n cuenta con un entorno grafico de inicializaci n y configuraci n el cual permite fijar las configuraciones del microcontrolador en cuanto a frecuencia de trabajo tipo de oscilador m dulos activados y sus respectivas configuraciones etc Adem s se puede ver el c digo generado en dicha configuraci n presionando la pesta a siguiente Particularmente recomiendo no utilizarlo y hacer la configuraci n del dispositivo desde la p gina de c digo puede ser til y en mi caso fue as para verlo y observar en cierta medida que es lo que se debe y puede configurar en cuanto a puertos y m dulos del dispositivo En la siguiente figura se muestra el entorno reci n mencionado O Opening brace on the same line ice PIC16F877A v Oscilator Frequency 20 000 000 HZ Enable Integrated Chip Debugging ICD C Restart WDT during calls to DELAY Use 16 bit pointers for Full RAM use 4 One fuse per line with comments BOOT LOADER High speed Osc gt 4mhz for PEM PCH gt 10mh C Power Up Timer Code protected from reads Debug mode for use with ICD C Reset when brownout detected C Low Voltage Programming on B3 PIC16 or BS PIC18 Funcionalidad del c digo El prog2. Term metro electr nico Franco Rafael Copes francocopestO hotmail com Facultad Regional Paran Universidad Tecnol gica Nacional 3100 Almafuerte 1033 Entre R os Argentina Palabras claves temperatura medici n circuito electr nico polling funciones RESUMEN Este proyecto surge de la necesidad de una peque a empresa dedicada a la fabricaci n de productos l cteos en la provincia de Santa Fe A partir de este proyecto logr aumentar capacidades de dise o e investigaci n tanto en software como en hardware mas all del enriquecimiento intelectual que me permiti obtener nuevos puntos de vista sobre el trabajo con microcontroladores en aplicaciones industriales En esta ocasi n desarroll un term metro digital de dos lecturas simult neas con alarmas por temperatura y tiempo programables a trav s de un men muy simple Utilizando componentes muy conocidos y f ciles de conseguir en el mercado regional as como tambi n la informaci n necesaria para su manipulaci n El esquema general del proyecto consta de un microcontrolador PIC de la l nea 16F876A sensores de temperatura LM35 con filtro y amplificador de se al para llevarla a rangos convenientes de tensi n dispositivos de visualizaci n de 7 segmentos y fuente de alimentaci n Este dispositivo permite al operario de la industria tener una r pida visualizaci n de las temperaturas correspondientes a la maquinaria de la cual es responsable adem s de informarlo en
3. aci n al producto en contacto y una f cil limpieza Caracter sticas de la variable a medir En sta industria y en particular en el proceso de producci n de queso la temperatura a medir se encuentra en un rango de 6 a 90 2C a lo largo de todo el proceso de producci n Seg n la hoja de datos del sensor con alimentaci n simple entrega 0 V a 2 2C y varia 10 mV 2C teniendo como limite los 150 2C por lo que decid establecer como limites de temperatura del aparato los 3 2C y 99 9 2C Por otro lado la maquinaria para este producto tiene una capacidad de 1200 L de leche debido al gran volumen no existen cambios muy r pidos de temperatura por lo que basta con refrescar la lectura de los sensores cada intervalo de tiempo de aproximadamente 3 segundos Adem s favorece a la transmisi n de la temperatura del fluido al sensor a trav s de su vaina protectora y aislante f sica Esquema del term metro El circuito completo consta de 7 bloques principales para su funcionamiento fuente de alimentaci n microcontrolador sensores amplificadores de se al dispay de 7 segmentos botonera de configuraci n y por ltimo sistema de alarma Los bloques reci n mencionados se disponen seg n indica la siguiente figura Sistema de alarma La Fuente Est compuesta por un transformador de 6 V eficaces por 200 mA suficiente para el consumo del circuito Seguidamente un puente de diodos y un capacitor electrol
4. caso de sobrepasar ciertas temperaturas o tiempos previamente programados por el mismo permitiendo mayor fluidez y precisi n en el trabajo diario lo cual es muy importante en la industria L ctea y que garantiza la homogeneidad de producci n Introducci n temperaturas que uno desea medir el Existen diversas formas de censar sitio en cual se instalar y las condiciones temperaturas en el mbito industrial tales de ambiente que deber n soportar Otro como termocuplas termoresistores punto a tener en cuenta es la linealidad diodos zener sensores integrados etc La con que cada uno de estos dispositivos elecci n del dispositivo sensor depender sensores responde en este proyecto se en gran medida de los rangos de comenz por seleccionar el rango de temperaturas y luego la linealidad del sensor desembocando en el sensor de temperatura LM35 En este tipo de industria por su envergadura es muy com n utilizar term metros de columna de alcohol o en su defecto de columna de mercurio El inconveniente de este tipo de term metro es la limpieza de los mismos y el peligro de que ante un golpe accidental su rotura haga necesario el descarte de la totalidad de la producci n afectada Otro inconveniente es la lectura del mismo ya que es incomoda y var a seg n el operario que realice la medici n En su contraparte el term metro digital ofrece una lectura precisa r pida y c moda adem s de no producir riesgos de contamin
5. nvertir num310 output high PIN C0 num num 10 delay_ms d output low PIN C0 port b convertir num310 output _high PIN C1 num num 10 delay_ms d output low PIN_C1 port b convertir num output high PIN C2 delay_ms d output low PIN_C2 lt gt A gt O 43 19 Insert Pjt termometro _doble3 D Franco circuitos made in casa Termometro termometr termometro_doble3 c Como base tiempo para la lectura de los sensores y para las alarmas temporizadas se opto por utilizar la interrupci n Timer1 que posee el dispositivo trabajando con prescaler se obtuvo una precisi n suficiente para sta aplicaci n ya que el m ximo tiempo de las alarmas son de 90 minutos y el periodo de refresco de lectura de los dos sensores de temperatura no es critico Dentro de sa interrupci n tambi n se contempla la generaci n de frecuencia para la bocina del sistema de alarma Adem s dicha bocina emite un beep al presionar alguna tecla de la botonera Como se dijo antes el aparato posee 5 alarmas activadas por temperatura y 2 alarmas activadas por temporizado las cuales son configurables por el usuario los valores de estas alarmas est n asociados a variables internas de 16bit que se incrementan y decrementan al presionar las teclas correspondientes en el men de configuraci n El c digo del men es muy extenso y tedioso motivo por el cual no ser expuesto en
6. oder alarmarlo en caso de que ocurra un evento de importancia en el proceso Debido a las condiciones de trabajo del proceso en particular la opci n mas eficiente fue una alarma del tipo sonora y visual la cual esta constituida por una bocina piezoel ctrica y un Led indicador de esta forma la bocina indica la ocurrencia de un evento y el Led indica que se encuentra activado un temporizador que har sonar la bocina Dicha alarma es configurable por medio de un men a trav s de la botonera la misma permite seleccionar activaciones por eventos relacionados a temperaturas y o tiempos para ser m s preciso 5 alarmas por temperaturas y 2 alarmas temporizadas Los Sensores y Amplificadores de Se al Como ya mencion anteriormente el Sensor utilizado para el proyecto es el LM35 Sus principales caracter sticas se resumen en la siguiente tabla 1 Units Max Parameter Conditions Tested Design Typical Limit Limit Note 4 Note 5 Accuracy A 5 10 4 1 0 LM35 LM35C A 10 0 5 Note 7 a T mao 0 8 Accuracy LM35D Note 7 SIS Salaa oa Nonlinearity Note 8 Sensor Gain Average Slope Specified Operating Temperature Range Tmn do T max Note 2 LM35 LM35A 55 C to 150 C Otro dato importante es que la salida del sensor es 0 V a una temperatura de 22C teniendo en cuenta que el rango de operaci n del term metro es de 3 a 99 9 C los niveles de tensi n entregados
7. ofrece la posibilidad de utilizar hasta 5 pines como entradas anal gicas para la conversi n anal gica digital de 10 bit de resoluci n lo que permite trabajar c modamente con d cimas de grados en el rango temperaturas escogido para este proyecto Otra caracter sticas muy importante es la cantidad de pines I O suficientes para el control de los display la botonera y el sistema de alarma La distribuci n de pines se muestra a continuaci n 28 gt RB7 PGD 27 gt RB6 PGC MCLR VpP gt RAO ANO gt RA1 AN1 gt RA2 AN2 VREF CVREF RA3 AN3 VREF gt RA4 TOCKI C10UT lt RA5 AN4 SS C20UT L Vss OSC1 CLKI gt OSC2 CLKO 10 RCO T10SO T1CKI lt gt 11 RC1 T10SI CCP2 gt 12 RCO2 CCP1 lt 13 RO3 SCK SCL lt gt 14 ONDARON N _ ps 11 1 E U O lt 18 gt RC7 RX DT 17 gt RC6 TX CK 16 RC5 SDO 15 RC4 SDI SDA co PIC16F876A Tambi n se tuvo en cuenta el tama o del encapsulado el cual es adecuado para la implementaci n No se tuvo demasiado en cuenta la capacidad de Memoria de programa que posee ya que el c digo de programa no es extenso comparado con la capacidad de un microcontrolador de sta gama El software El software utilizado para el desarrollo del programa grabado en el microcontrolador es el PIC C Compiler 3
8. para instalar Consideraciones finales El proyecto cubri en gran medida con las necesidades por las cuales surgi Todav a queda mucho por mejorar en cuanto a c digo hardware y dise o apropiado para el lugar al cual es expuesto diariamente Se obtuvo mejor resultado con el cable de tres conductores en cuanto a caracter sticas el ctricas En cuanto a resistencia mec nica y terminaci n el cable de dos conductores fue mejor por el dise o f sico propio del cable Si hablamos del software utilizado para desarrollar y compilar el programa tuve un inconveniente con la configuraci n de la frecuencia del conversor A D el software me indicaba un valor de divisi n de frecuencia para el A D que no era correcto lo cual resultaba en un comportamiento inestable de las lecturas Referencias 1 L M35 Precision Temperature Sensors Data Nacional Semiconductor Centigrade Sheet 2 PIC16f87XA Data Sheet Microchip 3 Manual de Usuario del Compilador PCW de CCS
9. por el sensor van desde los 10 mV hasta los 980 mV aproximadamente Como el sensor se encuentra a 2 5m de la placa impresa la se al se transmite por medio de un cable mayado en el cual se introduce ruido el ctrico para eliminarlo se la pasa por un filtro pasa bajos propuesto por la hoja de datos del fabricante Luego es amplificada como se muestra en el siguiente circuito para podes llevar la se al a rangos de tensi n convenientes para la conversi n en el microcontrolador O RA1 AN1 Para poder calibrar el term metro se coloc un potenci metro multivueltas que regula la ganancia del amplificador El Microcontrolador El microcontrolador utilizado como ya se mencion es el PIC16f876A de Microchip Dicho dispositivo tiene las siguientes caracter sticas Sobresalientes en cuanto a capacidad de memoria cantidad de pines I O y modulos 2 Program Memory Memory Data Device SRAM gta I O s Single Word Bytes Instructions BYtes PIC16F8 8192 256 10 bit CCP Timers E ee E a peirera e 2 ves ves f ve 29 PIC16F8 211 pcso 0 2 ves ves ves an 2 La utilizaci n de un microcontrolador de la l nea 16F de Microchip se debe a la gran cantidad de informaci n sobre ellos tanto en notas de aplicaci n como en foros de electr nica lo que me posibilito entrar al mundo de los microcontroladores Y la selecci n de ste microcontrolador en particular se realizo teniendo en cuenta que
10. rama del microcontrolador se desarrollo por completo en C y se basa en la l gica de lectura de los dos conversores A D utilizados en forma alternada cada un intervalo de tiempo acorde a la rapidez de variaci n de temperatura del fluido en este caso se realiza cada 0 5 s Para la lectura y conversi n de la se al provenientes de los sensores de temperatura se utilizaron funciones propias del compilador las cuales facilitan la configuraci n y programaci n del modulo A D El modulo permite la configuraci n de valores de tensi n de referencia para realizar la conversi n y debi ser usado porque al alimentar los amplificadores operacionales con 5 V estos entregan como m ximo 3 5 V en la salida La linealidad de los sensores permiti obtener el valor de temperatura casi directo de la lectura del A D La detecci n de la botonera se hace por la t cnica de Polling Al detectar la activaci n de una tecla se hace un antirrobotes por software que es en conceptos de programaci n es una peque a demora y un bucle cerrado que permite incrementar autom ticamente sin soltar la tecla Adem s se crearon tres funciones de visualizaci n para los display una para mostrar temperatura una para mostrar los valores de configuraci n de alarmas y otra para mostrar el texto necesario para el men A continuaci n se expone una de ellas a modo de referencia A aio void mostrarnum int16 num 266 port b co
11. sta ocasi n El PCB En el dise o del circuito impreso se trat de dejar una maya de cobre conectada a masa del mayor rea posible para no tener influencias de ruido en la se al de entrada Otra consideraci n de dise o fue hacer el circuito en dos placas separadas para superponerla y reducir el tama o de dos de sus dimensiones La conexi n de las mismas se hizo a trav s de pines de conexi n Quedando dispuestas como se observa en la siguiente fotograf a El circuito impreso est hecho sobre una placa de fibra de vidrio seleccionada por su rigidez y presentaci n est tica El m todo para realizarlo fue el de planchado sobre la misma con filmina impresa con el circuito y luego quemada con percloruro f rrico El proyecto terminado El term metro fue armado en un gabinete pl stico de dimensiones ajustadas a la del circuito impreso Los sensores se colocaron dentro de vainas de acero inoxidable embebidos en grasa siliconada para favorecer la conducci n del calor hacia el sensor Los cables que unen los sensores con las placas de circuito impreso son de dos tipos diferentes para probar cual ofrece el mejor resultado uno es mayado en cobre con tres conductores el de menor di metro y el otro mayado en cobre con dos conductores Y por ultimo se coloco un pl stico con en grado de polarizado para dar mayor contraste a los display En la siguiente fotograf a se puede apreciar el proyecto terminado y listo
12. tico La Botonera El circuito tiene 3 pulsadores los cuales se muestra en la pr xima figura Para economizar pines del microcontrolador se utilizaron diodos para convertir la se al de los pulsadores a un formato de dos bits E 111414 D5 114 148 A R24 R29 10k 1Ck 40 J6 GENS 312 No posee ning n dispositivo antirrobotes de tipo hardware ya que se soluciona desde el software implementado De sta manera se pueden poner cuantos pulsadores se deseen ahorrando de forma notable la cantidad de pines necesarios para interpretar nuestro teclado As la salida del circuito corresponde seg n la siguiente tabla Los display En la siguiente figura se observa el circuito de los display vale la pena aclarar que son del tipo c todo com n Q 80548 BC548 ste esquema de conexi n se conoce como multiplexado El funcionamiento del circuito se basa en exponer el dato correspondiente al n mero que se desea mostrar en este caso son 8 bits conectados al puerto B del microcontrolador a trav s de resistencias para limitar corriente Los pines de datos son comunes para todos los display del circuito entonces al saturar los transistores en forma alternada en conjunto con el dato de 8 bits correspondiente a cada display se logra visualizar perfectamente el n mero a mostrar El Sistema de Alarma Para facilitar la tarea del operario fue conveniente buscar la manera de p
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