UNIVE UNIVERSI RSIDAD DAD NACION NACIONAL AL MA MAY YOR DE SAN MARCOS (UNIVERSIDAD
DEL PERÚ, Decana de América)
FACULT FACULTAD AD DE INGENIERÍA INGENIER ÍA ELECTRÓNICA ELECTRÓNI CA Y ELÉCTRICA Escuela Académico Académico Profesioal de I!eier"a Elec#r$ica
Curso
% La La&ora#orio de I!eier"a de Co#rol I
Iforme
% Co Co#rol de Tem'era#ura
Turo
% Lues ()*+ 'm
Profesor
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Ciudad Ui-ersi#aria0 1ulio de /+**
C2NTR2L DE TE3PERATURA
I, 245ETI62. •
Controlar la temperatura por histéresis mediante el empleo del microcontrolador atmega8.
II, II, 3AT 3ATERIAL ERIAL Y E7UIP E7UIP2 2 UTILI8A UTILI8AD2 D2 E#a'a de e#rada de referecia • •
(01) Resistencia: 1 KΩ (01) Potenciómetro: KΩ
E#a'a de realime#aci$ realime#aci$ • • • • •
(01) Resistencia: 10 KΩ (01) !"# (01) !"#$% (0$) Resistencias: %.& KΩ (01) Resistencia: 1 KΩ
E#a'a de co#rol •
(01) "icrocontrolador: 'tmega8
E#a'a de 'o#ecia • • • • • •
(0$) Resistencia: ##0 Ω (01) Resistencia: 100 Ω (01) iodo: 1%1%8 (01) *ptoacoplador: "*C#0%1 (01) +riac: ,+1#(01) oco
III, INTR2DUCCI2N /l sistema ue implementaremos consta de una primera etapa ue cuantiicar2 el ni3el de temperatura4 pas2ndolo en proporción lineal a ni3eles de 3olta5e analógico4 luego se encargara de acondicionar esta se6al o7tenida la entregar2 a una segunda etapa4 ue es la etapa de control. /sta etapa se dedicar2 a anali9ar la inormación proporcionada por la etapa anterior una etapa ue nos 7rindar2 un ni3el de reerencia4 segn las condiciones dadas por el dise6ador4 la segunda etapa tomar2 un determinado comportamiento4 con lo cual se controlar2 una tercera etapa inal. inalmente la tercera ltima etapa se encargar2 de e5ecutar las decisiones tomadas por la etapa de procesamiento. ;eamos esto en un diagrama de 7loues: /tapa de
/tapa de Procesamiento
/tapa salida o Potencia
I6, FUNDA3ENT2 TEÓRIC2 /l dise6o de un controlador de temperatura por histéresis se puede comprender me5or mediante el siguiente gr2ico:
Histéresis
el gr2ico se o7ser3a ue cuando el 3olta5e de realimentación (dado por un sensor de temperatura) es maor ue el 3olta5e de reerencia (esto para una temperatura dada)4 lo ue se de7e hacer es disminuir el 3olta5e4 o tam7ién se puede decir4 disminuir la temperatura de realimentación hasta un punto tal ue dicho 3olta5e se encuentre dentro de una rango donde no sea perci7ido el error por el sensor de temperatura.
reerencia4 se de7e ele3ar el 3olta5e de realimentación (ele3ar la temperatura captada por el sensor) talue este uede dentro de un rango donde el error no se aprecie. /l sensor empleado para sensar la temperatura es el !"#. /l !"# es un sensor cua escala de sensado se da en grados cent=grados4 a dierencia del !"## el cual los o7tiene en grados >el3in. /l !"# es un sensor lineal ue mide a ra9ón de 10m;?@C4 con rango de sensado desde A @C hasta 10 @CB con 3olta5e de salida de 100 m; para 10 @C4 $0 m; para $0 @C A0 m; para A @C.
e7ido a ue el 3alor m2imo entregado por el sensor es de 100 m; (1. ;)4 se emplea un ampliicador a la salida del sensor4 como se 3er2 m2s adelante en el dise6o de la etapa de realimentación.
6, DI.E92 *,) ETAPA DE ENTRADA DE REFERENCIA /n el circuito de reerencia4 ue se muestra a continuación4 se tiene ue el 3olta5e de reerencia
Circuito de referencia
/l rango del 3olta5e de reerencia es de 0 hasta ;4 lo ue para el dise6o ue se est2 empleando eui3ale desde 0 @ hasta 0 @C. Con este rango de temperatura de reerencia se cu7re los rangos normales de temperatura en una ciudad como !ima. Para poder controlar el rango de temperatura de reerencia se hace empleo de un potenciómetro. 'dem2s4 el 3olta5e de reerencia est2 conectado a la entrada 'C1 del atmega8 empleado.
/,) ETAPA DE REALI3ENTACIÓN /l circuito mostrado a continuación es el circuito de realimentación (sensado):
Circuito de realimentación – Sensado LM35
Da ue el !"# empleado 7rinda como m2imo un 3olta5e de 100 m; (1. ;) para 10 @C4 es necesario a6adir una etapa ampliicadora. !a etapa de ampliicación ha sido dise6ada talue se o7tenga una ganancia igual a 10.
Etapa de amplificación ;out
=
R 1
+ R $ R 1
;in
Para o7tener una ganancia igual a 104 se eligen los 3alores R 1E1 KΩ R $E$ KΩ 'dem2s4 el 3olta5e de esta etapa de realimentación est2 conectado a la entrada 'C0 del atmega8 empleado.
:,) ETAPA DE C2NTR2L Para la etapa de control se hace empleo del atmega8 el cual4 mediante programación en 7asic4 es capa9 de controlar uno de los puertos de salida de 3an conectados a la etapa de potencia. ' continuación se eplica la lógica empleada para esta etapa de control.
ADC
/n primer lugar se tiene ue las entradas tanto de reerencia como de alimentación est2n conectadas a los pines 'C1 'C04 respecti3amente. !os 3olta5es en estos pines son con3ertidos a nmeros 7inarios de 10 7its. • •
mero de 7its (7): 7E10 /scalón de cuantiicación (F):
∆= •
R( 7
$
−1
=
; 10
$
−1
=
; 10$#
= %.Gm;
Control de temperatura de $0@C A #0@C (+min A +ma): −
Codiicación eui3alente a 0.1@C4 es decir 10 m; (m=nimo 3alor sensado): 1 !<, → %.Gm; (i → 10m;
−
⇒ (i =
10m; × 1 %.Gm;
= $.0%1 ≈ $
;olta5e eui3alente para #1@C: H → 10m; #1 C × 10 m; = #.1; ⇒ ;ma = H H 0.1 C #1 C → ;ma H
0. 1 C
−
Codiicación eui3alente a #1@C:
→ %.G m; ⇒ Re ma = Re ma → # .1;
1 !<,
−
;olta5e eui3alente para $$@C:
# .1; × 1 % . G m;
= -#$ .& ≈ -##
Error
Da o7tenido los 3olta5es de reerencia realimentación en sus eui3alentes 7inarios4 se procede a calcular el error (dierencia) ue ha entre estos dos 3alores. Para ello se tiene una dierencia entre am7os 3alores. /rrorEReerenciaARealimentación
Lógica
Control
•
/rror
−
Reerencia menor ue la realimentación (error negati3o) /rrorIAF4 siendo F: escalón de cuantiicación4 se acti3ar2 una alarma.
−
Reerencia maor ue la realimentación (error positi3o) /rrorIF4 siendo F: escalón de cuantiicación4 se acti3ar2 una alarma.
Etapa de control – conexiones al atmeg8
' continuación se presenta el programa empleado4 en él se decidió omitir la salida ue indica ue la temperatura se encuentra uera del l=mite esta7lecido.
Pro!rama e 4asco A6R /l programa se reali9a usando el
regile E Lm8de.datL crstal E 1000000
+cnt0 E 0
im ;1 's ,it im M0 's Mord im M1 's Mord im /rror 's !ong im !1 's !ong im !$ 's !ong
o ;1 E 1 !oop /nd
Conig Port7 E *utput Conig 'dc E
+cnt1l E NO** +cnt1h E NO00
!1 E $ !$ E A$
Conig +imer1 E +imer 4 Prescale E -% +cnt1l E NO00 +cnt1h E NO00
+iempo:
*n Compare1a +iempo /na7le nterrupts /na7le Compare1a
/rror E M0 A M1 M0 IE G-0 +hen Port7.0 E 1 Port7.& E 0 /lse Port7.0 E 0 /rror IE !1 +hen Port7.& E 0 /lsei /rror E !$ +hen
*cr1ah E NO1/ *cr1al E NO8
Port7.& E 1 /lse
Port7.& E 0 Port7.0 E 0
Port7.& E Port7.& /nd /nd
Return
Descri'ci$ del 'ro!rama !a primera parte del programa esta reerida a la declaración del tipo de microcontrolador a usar4 asi como la recuencia de tra7a5o del cristal dicho microcontrolador escogido. Para nuestro caso se eligió el microcontrolador 'tmega 84 cua sintais es: regile E Lm8de.datL crstal E 1000000 !a siguiente parte comprende la declaración de los tipos de 3aria7les sus dimensiones como son: im ;1 's ,it im M0 's Mord im M1 's Mord im /rror 's !ong im !1 's !ong im !$ 's !ong
/l control de la temperatura se reali9a a tra3és de un ciclo de histéresis4 el rango de 3ariación medido en unidades de temperatura tiene una precisión es de 0.1SC ue es eui3alente a 0.01;4 la cual tiene un eui3alente en ni3el de 3olta5e correspondiente a 1m; lo cual eui3ale a # ni3eles de 3olta5e.
!1 E $ !$ E A$
Conig +imer1 E +imer 4 Prescale E -% TRegistros contadores de pulsos de relo5 +cnt1l E NO00 +cnt1h E NO00 Port7.& E 0 Port7.0 E 0
TRegistro 7a5o del contador TRegistro 'lto del contador T/stado inicial a cero 4 se6al de potencia T/stado inicial a cero 4 se6al de alarma
*n Compare1a +iempo /na7le nterrupts /na7le Compare1a
Tnicia la comparación.
Tatos para el registro 0CR1a se llena &81# en headecimalEO1/8 Tse ha modiicado para un 0. segundo. *cr1ah E NO1/ *cr1al E NO8 +cnt0 E 0 Tcompare1a reali9a la comparación entre $ registros4 el *cria el registro T+cnt el cual tiene como 3alor inicial 04 luego se incrementa hasta ser igual ue el T3alor del registro *cria (+cnt E *cria)4 con lo cual se genera la interrupción se Te5ecuta la unción +iempo. Con esto aseguramos ue la unción +iempo se genere cada T0.s T!a9o de espera hasta ue ocurra una interrupción4 el programa estar2 en este loop4 hasta Tla interrupción. o ;1 E 1 !oop /nd Tin del programa
Tunción en la interrupción: +iempo: +cnt1l E NO** +cnt1h E NO00 Tpone el registro +cnt a cero4 para ue se genere el proceso nue3amente.
T se asigna a la 3aria7le M0 el 3alor de la entrada PC0 T se asigna a la 3aria7le M1 el 3alor de la entrada PC1
Tierencia entre el 3olta5e de sensor el 3olta5e de Tse6al de alarma4 G-0 eui3ale a %.&; en la entrada.
Port7.& E 0 /lse Port7.0 E 0 /rror IE !1 +hen oco se apaga Port7.& E 0 /lsei /rror E !$ +hen oco se enciende
T acti3o la se6al de alarma
T
T
Port7.& E 1 /lse Port7.& E Port7.& T/n caso el delta se encuentra dentro del margen A#:#I entonces la salida mantendr2 su estado anterior /nd /nd Return
ETAPA DE P2TENCIA +iene una etapa ue consta de un optoacoplador4 el optoacoplador usado ue el "*C#0%1 de cruce por cero ue dispara a un triac ,+1#-. 'ntes de eplicar el uncionamiento de la etapa de potencia del proecto4 eplicaremos como unciona el triac el moc. /l tiristor es un componente de # terminales4 anodo (')4 catodo (K) una compuerta de control (Q). /l tiristor o
Coniguración de Pines:
/suema ,2sico: U1 TRIAC
MT2
MT1
L1
V1 VSINE
R1
220V
330
U 32C es u o'#oaco'lador, Xn *ptoacoplador com7ina internamiente un dispositi3o semiconductor ue hace la unción de otoemisor un otorreceptor de cualuier tipo entre los dos dispositi3os eisten un camino por donde se transmite la lu9.
Cofi!uraci$ de Pies%
/suema de la etapa de potencia del proecto: D1"A$
D1 1N4148
R7
U4 1
6
1k
R8
"#$
330 2 Zero Crossing
U!
4
TRIAC
MOC3041M
R 330
L1
220
'ntes de la etapa de entrada del "*C#0%1 eiste un circuito limitador para asegurar de ue la entrada reci7a el 3olta5e la corriente adecuada. !eendo el datasheet del "*C#0%1 nos damos cuenta ue el diodo R interno del "*C#0%1 puede soportar hasta 1 m' como m2imo. /ntonces: − 0.&
= 1mA
/ntonces R de7e ser maor o igual a G# Ω 4 por lo ue usamos en el proecto una resistencia de 1K Ω . !as resistencias de ##0 Ω ueron colocadas en el circuito a ue ten=amos la reerencia de la ho5a de datos del "*C#0%1. !a 3enta5a ue de5a este circuito con el "*C#0%1 hace ue se aisle eléctricamente los circuitos de entrada salida del encapsulado. /l otoemisor ue tiene internamente el "*C#0%1 es un diodo ue emite raos inrarro5os el otoreceptor ue ha dentro del encapsulado es un tiristor para corriente alterna osea un +R'C.
/suema de ,loues:
6I, DAT2. 24TENID2. E;PERI3ENTAL3ENTE 'l implementar pro7ar el circuito 3isto anteriormente no se pudo lograr un 7uen uncionamiento de la etapa de potencia4 por ello se recurrió a poner a la salida del microcontrolador un led (resistencia led en serie)4 el cual indicó el momento en el cual se de7=a acti3ar la etapa de potencia. Para poder compro7ar la correcta programación se acercó el oco manualmente. ' continuación se muestran los resultados o7tenidos:
;olta5e eui3alente a la temperatura am7iente inicial: ;+' E $.- ; ;olta5e eui3alente a la temperatura de reerencia: ;R/ ;olta5e eui3alente a la temperatura de realimentación: ;R/'! "=nimo 3olta5e sensado: F E 10 m; E 0.01
•
Para ;R/E#.%& ;
;R/ A FE#.%% ;
;R/E#.%& ;
;R/ Y FE#.%& ;
•
Para ;R/E#.00- ;
;R/ A FE$.GGG ;
;R/E#.00- ;
;R/ Y FE#.0# ;
Con los 3alores o7tenidos se comprue7a el correcto uncionamiento del control por histéresis. 'dem2s en las gr2icas se o7ser3a cómo 3a 3ariando la temperatura (comportamiento)
6II, DATA.
Triac 4T*:*
32C:+>*
6III, C2NCLU.I2NE. •
•
•
•
!a salida del sensor !"# da 3alores de 3olta5e en m;4 es por ello se empleo ampliicador antes de en3iar estos ni3eles de 3olat5e sensados al microcontrolador.
un
/n la programación empleada se tra7a5ó con los 3alores 7inarios. Para poder hallar el error en la temperatura se tu3o ue hallar la eui3alencia entre el m=nimo escalón de cuantiicación el 3olta5e al cual este eui3ale.
/l uncionamiento del sensor !"# es lineal4 es decir cada 10m; eui3ale a 1 0C el cual transorma la temperatura censada en un 3olta5e directamente proporcional4 esto nos ser3ir2 como 3olta5e ue arro5a en sensor4 luego implementamos un circuito ampliicador de 3olate5e con ganancia de 10 para poder tener maor precisión cuando ueremos regular la temperatura. Por otro lado en la etapa de entradaAreerencia se uso un di3isor de 3olta5e4 el cual ten=a como medidas m2imas m=nimas de 3olta5e las reueridas para nuestro circuito controlador.
/l atmega8 tra7a5a con un 3olta5e de operación de $.& a .;. Como la entrada se decodiica en 10 7its esto indica ue los ; es eui3alente a 1111111111 o 10$# en decimal4 por este moti3o se conigura para ue la entrada la entrada de reerencia no so7repasen los 34 de manera paralela se coloco una se6al de alarma cuando en la entrada se detecte una se6al maor a %.& ; por seguridad
I;, 4I4LI2GRAFÍA %ASCOM&AVR (ser )*n(*+, Ingenier-* .e /onro+ )o.ern* & reni/e *++ "Og**$, A+i/*/iones E+e/rni/*s /on Mi/ro/onro+*.ores & Leng(*5e %*si/ %*s/o) AVR , 99:::,.**see*r/i;e,/o)9ATM8&.**see,)+ 99ro/in.*rio,/o)
