Trabajo colaborativo
Tema 5: diseo un sistema de comunicacin de datos
Instrumentacin y mediciones
Cesar Otlora
C.C 94529351
Grupo 201455_20
Tutor:HUGO ORLANDO PEREZ NAVARRO
Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD10 de octubre del
2014Cali- valle
Introduccin
En el presente trabajo se implementa una aplicacin del puente de
Wheatston para el diseo de una bscula electrnica utilizando un
transductor (galgas extensiomtricas). Se describe el
acondicionamiento de la seal por la deformacin de la galga, las
diferentes etapas del circuito, el amplificador de instrumentacin,
el filtrado y conversin anloga/digital. Se muestra la importancia
de las galgas extensiomtricas y las diferentes aplicaciones de este
transductor en la industria El diseo de los sistemas de medida
centra su atencin el tratamiento de las seales o magnitudes de
entrada.
Los sensores y los transductores son parte fundamental para
cualquier sistema electrnico. Las galgas extensiomtricas son
dispositivos transductores pasivos que aplicados sobre un algn
material fijo o elstico, permiten medir la fuerza ejercida sobre l
a partir de la deformacin resultante. As, fuerzas de compresin o
torsin, aplicadas sobre algn material, generan deformaciones que
son transmitidas a una galga extensiomtrica, respondiendo sta con
una variacin de su propia resistencia. Las galgas se utilizan
ampliamente en diversas aplicaciones a nivel industrial, de
investigacin, ingeniera, instrumentacin biomdica, en sistemas de
pesaje automtico y en todos los campos donde se requieran
mediciones precisas de fuerza aplicada sobre alguna superficie
Objetivo general de la actividad
Construir un sistema de instrumentacin para medir la variable
peso, utilizando un puente de Wheatston.
Sustentar el sistema de instrumentacin para medir la variable
peso de acuerdo con las variables establecidas para el
proyecto.
ANTECEDENTES
Fundamento de las Galgas extensiomtricas: Efecto
piezoelctrico
Las galgas extensiomtricas se basan en la variacin de la
resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a
un esfuerzo mecnico. Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en
1856. Si se considera un hilo metlico de longitud l, seccin A y
resistividad?, su resistencia elctrica R es:
Si se le somete a un esfuerzo en direccin longitudinal, cada una
de las tres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta
un cambio y, por lo tanto, R tambin cambia de la forma:
El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una
pieza unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de
fluencia (Figura 1), viene dado por la ley de Hooke,
Donde E es una constante del material, denominada mdulo de
Young, s es la tensin mecnica y e es la deformacin unitaria. e es
adimensional, pero para mayor claridad se suele dar en
microdeformaciones (1 microdeformacin = 1e = 10-6 m/m). Si se
considera ahora una pieza que adems de la longitud l tenga una
dimensin transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un
esfuerzo longitudinal no slo cambia l sino tambin lo hace t. La
relacin entre ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la
forma:
Donde es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor est
entre 0 y 0.5, siendo, por ejemplo, de 0.17 para la fundicin
maleable, de 0.303 para el acero y de 0.33 para el aluminio y el
cobre. Obsrvese que para que se conservara constante el volumen
debera ser = 0.5. [1].
Diagrama a bloques
Diagrama de bloques del circuito:
Diagrama Esquemtico
Puente de Wheatstone
Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variacin, los
cambios de voltaje de un simple divisor de voltaje son mnimos e
incluso pueden confundirse con variaciones de la fuente de
alimentacin (ruido); en estos casos se hace necesaria la utilizacin
de un circuito llamado puente de Wheatstone, el cual se muestra en
la Figura 5. Segn la Figura 5(b) En una de las ramas se coloca el
elemento sensor resistivo que en nuestro caso es la galga
extensiomtrica, se ajusta el potencimetro de manera que en estado
de reposo de la galga el voltaje en a sea exactamente la mitad de
Vcc, la otra rama debe de ser un divisor de voltaje en donde Vb sea
tambin exactamente la mitad de Vcc; el voltaje de inters se toma de
los puntos a y b que en estado de reposo de la galga ser 0 V,
cuando vara la resistencia de sta, se presenta entonces un voltaje
Vab mayor o menor a cero segn si aumenta o disminuye la resistencia
respectivamente, y debido slo a la variacin de la misma, este
circuito permite pues inmunidad ante los cambios (ruido) en la
fuente de alimentacin y una mayor sensibilidad que se refleja en un
mejor control de la informacin proveniente del sensor.
En la Figura 5 (a), la resistencia R3 representa al transductor,
y sufre una desviacin segn un parmetro d, si R1 = R4 = R2,
entonces:
La desviacin se causa por la respuesta del transductor que se
modifican con la seal de entrada. El voltaje de salida Vab es una
medida de la desviacin d. La tensin Vab es un voltaje de circuito
abierto, entonces [5]:
Bffers de voltaje y Amplificador restador
Para no provocar cadas indeseadas de voltaje ni extraer
corriente del puente de Wheatstone se emplea un operacional en
configuracin de seguidor de voltaje, la alta impedancia de entrada
de stos permite extraer la informacin del voltaje sin influir en el
comportamiento del puente. Las seales del voltaje Va y el voltaje
Vb entran entonces en un amplificador restador con una ganancia
mxima de voltaje de 100 (ajustable). El voltaje del amplificador
restador esta determinado por la siguiente ecuacin:
En el diagrama elctrico (Figura 3) se observan los elementos de
la ecuacin (1.7): Ri = 10Kohm y Rf es un potencimetro de 1MOhm que
ajusta la ganancia del amplificador restador [2].
DESCRIPCIN DETALLADA DE FUNCIONAMIENTO
El sensor de peso de la balanza es la celda de carga, una de las
ms econmicas, tener diseo compacto, buena linealidad y ser de
simple colocacin en la estructura. Esquemticamente se tiene:
PLATO
Base de apoyo Celda
La seal de la galga en la celda se acondiciona con un
amplificador de instrumentacin y posteriormente se digitaliza en el
microcontrolador.
Celda de carga.
La celda de carga, como sensor de peso, constituye la parte
fundamental de la balanza. Se escogi una celda tipo single point o
punto nico, en la cual la presin se ejerce sobre un punto especfico
de su estructura, caracterstica que debe considerarse para la
fijacin de la celda en la carcasa de la balanza y para la colocacin
de la bandeja de pesaje.
Especificaciones Tcnicas de la Celda de Carga
Capacidad kg 40
Sensitividad mV/V 2
Tamao Mximo de la plataforma cm 35 x 35
Lmite de Carga % Cap. 150
Lmite de Ruptura % Cap. 300
Excitacin Nominal V 10
Excitacin Mxima V 15
Impedancia de Entrada Ohm 415 + 15
Impedancia de Salida Ohm 350 + 3
Tipo de Circuito de Compensacin Puente Balanceado
Largo del Cable metros 0.5
Cdigo de Color +excitacin = verde, +seal = rojo -excitacin =
negro, -seal = blanco
Construccin Aluminio
Estos datos pueden ser interpretados de la siguiente forma:
La capacidad es el peso mximo al que se puede someter a la celda
e incluye el peso muerto, el peso neto mximo y la tolerancia.
Capacidad = Peso Muerto + Peso Neto Max.+ Tolerancia La plataforma
de pesaje y su soporte forman parte del peso muerto.
La sensitividad indica el voltaje que entrega el circuito de la
galga por cada voltio de excitacin, cuando est sometida al peso
mximo. La alimentacin de 5 voltios est en el rango dado por el
fabricante y puede usarse para la energizacin del resto de los
circuitos de la balanza.
Seal Max.= Sensitividad Voltaje Excitacin
El tamao mximo de la plataforma se especifica en 35x35mm, este
no debe sobrepasarse ya que puede desequilibrar la medicin dando
resultados errneos y daando al sensor
Los lmites de carga y de ruptura obedecen al comportamiento de
la celda misma, y para este caso indican los siguientes valores
MICROCONTROLADOR PIC 16F877
Este microcontrolador es fabricado por MicroChip familia a la
cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias
caractersticas que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy
verstil, eficiente y prctico para ser empleado en la aplicacin que
posteorimente ser detallada.
Algunas de estas caractersticas se muestran a continuacin:
Soporta modo de comunicacin serial, posee dos pines para ello.
Amplia memoria para datos y programa.
Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se
denomina FLASH; este tipo de memoria se puede borrar
electrnicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo).
Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las
instrucciones necesarias para facilitar su manejo.
CARACTERISTICAS
En siguiente tabla de pueden observar las caractersticas ms
relevantes del dispositivo:
CARACTERSTICAS 16F877
Frecuencia mxima DX-20MHz
Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB
Posiciones RAM de datos 368
Posiciones EEPROM de datos 256
Puertos E/S A,B,C,D,E
Nmero de pines 40
Interrupciones 14
Timers 3
Mdulos CCP 2
Comunicaciones Serie MSSP, USART
Comunicaciones paralelo PSP
Lneas de entrada de CAD de 10 bits 8
Juego de instrucciones 35 Instrucciones
Longitud de la instruccin 14 bits
Arquitectura Harvard
CPU Risc
Canales Pwm 2
Diagrama de Pines.
Conversor A/D.
Los microcontroladores de las familias PIC16F87x y PIC18Fxxx de
los cuales estaremos hablando a continuacin, poseen un convertidor
Analgico-Digital que convierte una seal analgica en un nmero de 8 o
10 bits, segn sea la configuracin elegida por el diseador. Los
microcontroladores de 40 pines como el PIC16F877, se puede observar
que poseen 8 canales para conversin A/D, identificadas por las
siglas AN(n), las cuales se encuentran distribuidas entre el puerto
A y el puerto E, como se muestra en el diagrama de pines de la
figura:
En el microcontrolador PIC16F877, cada canal de conversin A/D
est conectado a un pin ubicado en el puerto A y en el puerto E. Por
ejemplo, el canal AN0 corresponde al pin # 2 del microcontrolador,
o expresado de otra manera, al pin RA0 del puerto A. El canal AN1
corresponde al pin # 3; el canal AN2 corresponde al pin # 4 y as
sucesivamente; entonces se puede ver claramente que el puerto A
cuenta con cinco de los ocho canales del conversor A/D, y los otros
tres canales estn ubicados en los pines correspondientes al puerto
E del microcontrolador. Un punto importante a considerar al momento
de utilizar el convertidor A/D,ser decidir si la conversin se har
configurando el conversor a 8 o 10 bits, con lo cual a su vez
estaremos definiendo la resolucin en el proceso de conversin. Esto
significa que si elegimos la conversin de una seal analgica a solo
8 bits (28 = 256), los valores digitales resultantes de la
conversin estarn comprendidos entre 0 y 255 (en binario es de
00000000 hasta 11111111), como se puede observar en la tabla
Cuando la conversin se hace a 10 bits, la resolucin aumenta
considerablemente en relacin a la de 8 bits, ya que tenemos 210 =
1024 datos de conversin, como se puede observar en la tabla
Conexin de una pantalla LCD y el conversor A/D en Pic Basic
DISPLAY LCD.
Las pantallas LCD alfanumricas, son las ms utilizadas hoy en da
en el desarrollo de proyectos o equipos electrnicos en los cuales
se hace necesario visualizar mensajes de texto cortos, que
proporcionen la informacin adecuada sobre un evento determinado.
Las pantallas ms comunes suelen ser de 1x16, de 2x16 y de 4x16
(Filas x Columnas). Todas estas configuraciones tambin se
encuentran para 20 columnas y hasta para 40 columnas.
Identificacin de los pines de una pantalla LCD: Veamos a
continuacin la descripcin de cada uno de los pines de una pantalla
LCD:
Pin out de un mdulo LCD con conexin a Vcc, Gnd y Control de
contraste. Pin 1, 2 y 3: como se puede observar en la figura, en la
mayora de las pantallas LCD, el Pin No. 1 y 2 corresponden a la
alimentacin de la pantalla, GND y Vcc, donde el voltaje mximo
comnmente soportado es de 5Vdc. El
Pin No.3 corresponde al control de contraste de la pantalla.
Pin 4: "RS" (trabaja paralelamente al Bus de datos del modulo
LCD, Pines 7 al 14, es decir, cuando RS es cero, el dato presente
en el bus corresponde a un registro de control o instruccin, pero
cuando RS es uno, el dato presente en el bus corresponde a un
registro de datos o carcter alfanumrico.
Pin 5: "R/W" (Read/Write), este pin es utilizado para leer un
dato desde la pantalla LCD o para escribir un dato en la pantalla
LCD. Si R/W = 0, esta condicin indica que podemos escribir un dato
en la pantalla. Si R/W = 1, esta condicin nos permite leer un dato
desde la pantalla LCD.
Pin 6: "E" (Enable), este es el pin de habilitacin, es decir, si
E = 0 el mdulo LCD se encuentra inhabilitado para recibir datos,
pero si E = 1, el mdulo LCD se encuentra habilitado para trabajar,
de tal manera que podemos escribir o leer desde el modulo LCD.
Pin 7 al14: "Bus de Datos, el Pin 7 hasta el Pin 14 representan
8 lneas que se utilizan para colocar el dato que representa una
instruccin para el modulo LCD o un carcter alfanumrico .
Pin 15-16: "Back Light", en muchos modelos de LCD, los pines 15
y 16 son respectivamente el nodo y el Ctodo,
Conexin de una pantalla LCD en Pic Basic: Una pantalla LCD puede
ser conectada a un microcontrolador utilizando los ocho bits del
bus de datos (D0 a D7) o solamente los cuatro bits ms
significativos del bus de datos (D4 a D7). Al emplear los ocho
bits, estos debern estar conectados en un solo puerto y nunca en
puertos diferentes. Si deseamos trabajar solo con los cuatro bits
ms significativos del bus, estos debern ser conectados en los
cuatro bits menos significativos de un puerto o en los cuatro bits
ms significativos del puerto seleccionado. Los pines E (Pin 6) y RS
(Pin 4) pueden estar conectados en cualquier puerto del
microcontrolador. Por ltimo, el Pin R/W deber estar conectado a
tierra (GND) para indicar a la pantalla LCD que estaremos
escribiendo, esto debido a que estaremos trabajando inicialmente
solo con la instruccin Lcdout.
Obtencin del modelo matemtico del comportamiento de la galga
Debido a que el comportamiento de nuestra galga al ir colocando
pesos en ella no es totalmente lineal, como se puede observar en la
Figura 6, es necesaria la obtencin matemtica experimental de dicho
comportamiento, para hacerlo, se colocaron pesos de 34 en 34 gramos
y se midi el voltaje que se presenta a la salida del amplificador
restador. Se repiti esta labor 12 veces para obtener mejores
resultados, hecho esto se convirtieron los valores de voltaje a la
palabra digital equivalente entregada por el ADC0804, la Tabla 1
muestra un resumen del procedimiento.
Cdigo Fuente.
El cdigo para programar al microcontrolador, por facilidad, se
realiz en el lenguaje de alto nivel C, usando un compilador y
traductor C Ensamblador llamado xxxxxx, el cual incluye adems una
librera con funciones para el manejo de LCD con protocolo estndar
como el que se usa en este proyecto. El diagrama de flujo del
algoritmo se muestra en la Figura 7.
CONCLUSIONES
Los fundamentos aprendidos en asignatura nos proporcionan
conocimientos bsicos sobre los artefactos elctricos, como en este
caso aplicando la ley de Ohm, el conductor transmitir una seal
proporcional a la deformacin de la celda de carga si al circuito se
le aplica un voltaje de excitacin.
La celda de carga es la parte fundamental de una balanza ya que
determina el rango de pesado y la precisin. Este sensor es uno de
los ms sencillos en cuanto a principio de funcionamiento y
colocacin, por esta razn actualmente casi todas las balanzas
electrnicas utilizan una celda de carga a excepcin de las balanzas
de aplicaciones que requieren muy alta precisin como las de
laboratorio.
Una de las debilidades de la Celda de Carga es la sensibilidad
al ruido, esto puede mejorarse con la tecnologa de construccin,
pero sacrificando el precio del sensor, a mayor inmunidad al ruido,
mayor es el precio.
BIBLIOGRAFA
Enciclopedia Libre Wikipedia http://www.wikipedia.org
Comunidad de Electrnicos
http://www.comunidaddeelectronicos.com
Yo Reparo (Comunidad de reparadores) http://www.yoreparo.com
Couglin Robert, Amplificadores Operacionales y Circuitos
Integrados Lineales. 5 Edicin. Prentice Hall. Mxico. 1997