INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN COMPUTACIÓN ANÁLISIS DE LA FABRICACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA USANDO EL PIC16F84 Ponente Dr. en C. José Luis Oropeza Rodríguez

OBJETIVO OBJETIVO. El alumno comprenderá los diferentes pasos a seguir para la planeación de un sistema de control de temperatura basado en el PIC16F84.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Uno de los principales problemas en cualquier sistema de producción es el control de la temperatura, el sistema de enfriamiento de los automóviles, los sistemas de gestión de la industria petroquímica, las encubadoras y otras aplicaciones en general, gestionan esta necesidad. Con el advenimiento de nuevas tecnologías, se hace necesaria la necesidad de que las empresas generen sus propios recursos para solventar los problemas que se presentan en nuestros días. Se plantea el problema de mantener la temperatura de un lugar determimado en un rango que no es crítico pero indispensable para la manutención del proceso de producción del producto tratado.

JUSTIFICACIÓN El estudio de nuevas alternativas de solución a los problemas planteados con anterioridad justifica en gran medida el presente proyecto. Además, éste representa el punto final de la materia que en este momento nos tocó analizar.

ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA Para todo sistema en su etapa de diseño o en su etapa de evaluación es necesario conocer las especificaciones pertinentes. Para el caso específico del sistema de control de temperatura que estamos analizando se tienen las siguientes especificaciones: Usar técnicas digitales para procesar y controlar la temperatura deseada. La temperatura se mantendrá en el valor deseado tanto tiempo como sea posible. Se usará un LED indicador del clima del calentador o del aire acondicionado, para identificar su operación La calidad, adecuación y costo son factores importantes y deben de ser considerados en el diseño del sistema. Se entregará un manual.

Bloque de proceso controlado DIAGRAMA A BLOQUES DEL SISTEMA [2] Bloque controlador Bloque de proceso controlado Disturbio Temperatura actual + Establecer la temperatura deseada Señal condicionante y calor Cuarto /casa - Señal de error Señal condicionante y aire acondicionado Sensor de temperatura y señal de circuito condicional ADC Bloque de medición

DISEÑO DEL SISTEMA TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA Posteriormente, se diseñará un circuito para cada uno de los bloques que satisfagan los requsitos necesarios del sistema. TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA Se requiere un transductor de temperatura para realizar la medición de la temperatura. Existe una gran variedad de transductores, desde un simple diodo hasta un IC especialmente creado para ello. Se usará para este ejemplo el LM334, una fuente de corriente ajustable de tres terminales, como sensor de temperatura debido a que es rentable, económico y de tamaño compacto. Sus espedificaciones eléctricas son las siguientes [4]: Opera de 1 a 40 Volts Rango de operación programable (1000): de 1 microampere a 10 miliamperes 0.02% de regulación de corriente por volt Operación óptima en el rango de temperatura de 0 a 70°C

EMPAQUE DEL LM334 [4]

TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA El LM334 se encuentra disponible en un empaque metálico TO-46 o bien en un empaque de plástico TO-92. La corriente de salida Iset del LM334 es directamente proporcional a la temperatura absoluta en grados Kelvin y esta dada por [2]: En donde: Iset= corriente de salida del LM334 Rset=resistencia que determina Iset y se encuentra conectada entre las terminales R y V del LM334 T =Temperatura en grados Kelvin Haciendo uso de del diagrama del LM334 de la siguiente diapositiva y la ecuación anterior, se puede expresar el voltaje de salida Vo en las terminales del LM334 de la forma [2]:

CIRCUITO BÁSICO DEL LM334 [4]

CARACTERÍSTICAS DE SALIDA DEL LM334 [4] Lo anterior indica que la salida Vo cambia a razón de 10mV por 1 K en la temperatura. En otras palabras, el voltaje de salida del sensor variará de un mínimo de 2730 mV a un máximo de 3430 mV conforme la temperatura cambia de 0 a 70°C. El voltaje de salida del sensor es analógico. Se utilizará un convertidor analógico a digital de la compañía National Semiconductor el ADC0804, la documentación de tal dispositivo revela que su voltaje de entrada es de 5 volts. Esto significa que siendo el voltaje del sensor de 2.73 Volts a 3.43 Volts, debe de ser mapeado a un voltaje de 0 a 5 Volts.

DIAGRAMA DEL ADC0804 Y UN CIRCUITO DE TRABAJO [3]

ETAPA DE NIVEL DE TRADUCCIÓN Existe una gran variedad de formas en que se puede acondicionar la señal de salida del transductor de temperatura para hacerlo rentable para el ADC0804. Una de las formas más sencillas es utilizar el amplificador diferencial en su configuración de seguidor de voltaje, como se muestra en la siguiente figura [2]:

DISEÑO DE LA ETAPA DE ACOPLAMIENTO La configuración seguidor elimina “la carga” y el amplificador diferencial otorga la ganancia necesaria para hacer que la señal sea rentable para el ADC0804. Se necesita un amplificador diferencial con un voltaje de umbral de ajuste de 2.73 V y la ganancia de [2]: De acuerdo a la figura anterior la salida del amplificador diferencial a 0°C es: En donde: Vod=voltaje de salida del amplificador diferencial AF=ganancia a lazo cerrado del amplificador diferencial V0=voltaje de salida del sensor Vref=voltaje de referencia del amplificador diferencial=2.73 V. De forma similar, el voltaje de salida del amplificador diferencial a 70°C es de la forma que se muestra a la derecha.

EL CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL La siguiente figura muestra la forma de configurar al ADC0804 para realizar la tarea de conversión de manera adecuada. La frecuencia del reloj que se muestra se encuentra en función directa de la red RC, con lo que se tiene [2]: Este convertidor tiene un error total de ±1 LSB y un tiempo de conversión de 100µs. La salida digital puede ser dividida en 8 bits o bien en 2 caracteres hexadecimales [2].

ESQUEMA PRÁCTICO DEL USO DEL ADC0804 [3]

TABLA DE REPRESENTACIÓN DEL ADC0804

EL CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL Se conectará la salida del amplificador diferencial a la entrada del ADC0804. Propondremos un valor de la resistencia y del capacitor de la red RC del reloj del ADC0804 de la forma [2]: La entrada de Vref/2 V es derivada del voltaje de alimentación. Finalmente las líneas de READ y WRITE son derivadas del 74LS14 que son circuitos inversores. El 74LS14 esta configurado como un generador de reloj, la frecuencia del mismo esta dada por [2]:

LA ETAPA DEL PIC 16F94 Una vez que la señal ha sido procesada se procede a que el PIC16F84 realice la lectura de la información proveniente del ADC0804 y por medio del programa interno realice la evaluación correspondiente, para realizar el control de manera adecuada. La siguiente figura muestra la integración del microcontrolador para este caso [1]:

EL MOC3010 [6]