DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE...
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE TELEREGISTRO DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE LAS LÍNEAS DE TENSIÓN ALTERNA INGRID JOHANNA GÓMEZ HERNÁNDEZ JUAN MANUEL ROJAS MOGOLLÓN JULIO CÉSAR VARGAS CASTRO UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ 2007
Transcript of DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE...
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE TELEREGISTRO DEL
CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE LAS LÍNEAS DE
TENSIÓN ALTERNA
INGRID JOHANNA GÓMEZ HERNÁNDEZ
JUAN MANUEL ROJAS MOGOLLÓN
JULIO CÉSAR VARGAS CASTRO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICABOGOTÁ
2007
2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE TELEREGISTRO DEL
CONSUMO DE ENERGÍA ELECTRÍCA A TRAVÉS DE LAS LÍNEAS DE
TENSIÓN
INGRID JOHANNA GÓMEZ HERNÁNDEZ
JUAN MANUEL ROJAS MOGOLLÒN
JULIO CÉSAR VARGAS CASTRO
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico y
Mecatrónico
Asesor: ING. Jaime Ramírez Artunduaga
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA INGENIERÍA ELECTRÓNICABOGOTÁ
2007
3
Nota de aceptación:
-------------------------------------------------- Firma del presidente del jurado
-------------------------------------------------- Firma del jurado
-------------------------------------------------- Firma del jurado
4
A mi familia, quienes me
ayudaron a formar un camino que
con éxito y la ayuda de Dios logré
encontrar, dando un ejemplo al
ser que viene en camino.
Ingrid Johanna.
Dedicado a mis padres, mis
hermanas y mi sobrino, quienes
han sido un apoyo constante para
lograr mis metas trazadas.
Juan Manuel.
A mi madre quien con su
esfuerzo demostró que es posible
vencer todos los obstáculos y a
mi abuelo cuyo ejemplo y
sabiduría fueron guía en el
camino.
Julio César.
5
TABLA DE CONTENIDO
Pag.
INTRODUCCIÓN
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . . . . 20
1.1 ANTECEDENTES . . . . . . . 20
1.1.1. Medidores De Energía Eléctrica . . . . 20
1.1.2. Tecnología PLC . . . . . . 21
1.2. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA . 21
1.3. JUSTIFICACIÓN . . . . . . . 22
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN . . . 24
1.4.1. Objetivo General . . . . . . 24
1.4.2. Objetivos Específicos . . . . . . 24
1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES . . . . . 24
1.5.1. Alcances . . . . . . . 24
1.5.2. Limitaciones . . . . . . . 25
2. MARCO DE REFERENCIA . . . . . 26
2.1. MARCO CONCEPTUAL . . . . . . 26
2.2. MARCO TEÓRICO . . . . . . 30
2.2.1. Medidores . . . . . . . 30
2.2.2. Fuente de alimentación . . . . . . 32
2.2.2.1. Rectificador de onda completa . . . . 34
2.2.2.2. Puente de Graetz o puente rectificador . . . 34
2.2.2.3. Regulador de voltaje . . . . . . 35
2.2.3. Protocolo X10. . . . . . . . 40
2.2.4. PIC . . . . . . . . 41
2.2.4.1. Introducción histórica . . . . . 41
2.2.4.2. Tipos de PIC . . . . . . . 43
2.2.4.3. Microcontrolador PIC16f8x . . . . . 43
6
Pag.
2.2.5. LCD . . . . . . . . 53
2.2.6. Filtros . . . . . . . . 55
2.2.6.1. Implementación de filtros . . . . . 56
2.2.6.2. Filtros activos . . . . . . . 57
2.2.6.3. Filtros pasivos . . . . . . 60
2.2.6.4. Filtros pasa banda . . . . . . 62
2.2.7. Modulación FSK . . . . . . 71
2.2.7.1. FSK banda reducida o banda angosta . . . 72
2.2.7.2. FSK banda ancha . . . . . . 73
2.2.7.3. Modulador XR2206 . . . . . . 74
2.2.7.4. Demodulador XR2211 . . . . . 78
2.2.8. Amplificadores operacionales (A.O) . . . . 82
2.2.8.1. Introducción histórica . . . . . . 82
2.2.8.2. Notación . . . . . . . 83
2.2.8.3. Comportamiento en continua (D.C) . . . 84
2.2.8.4. Aplicaciones . . . . . . . 90
2.2.8.5. Estructura . . . . . . . 91
2.2.8.6 Amplificador operacional TL072 . . . . 91
2.2.9. Modelo de la red en Colombia. . . . . 92
2.2.9.1. Aspectos Técnicos relacionados
con la transmisión de datos a través de
la red eléctrica domiciliaria. . . . . . 94
3. METODOLOGÍA . . . . . . . 97
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN . . . 97
3.2. LÍNEA DE LA INVESTIGACIÓN DE U.S.B. /
SUB-LÍNEA DE FACULTAD /
CAMPO TEMÁTICO DE PROGRAMA . . . 97
3.2.1. Sub-Líneas de la facultad . . . . . 97
7
Pag.
3.2.2 Campos de investigación . . . . . 97
3.3. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN . 97
3.4. HIPÓTESIS . . . . . . . 98
3.5 VARIABLES . . . . . . . 98
3.5.1. Variables independientes . . . . . 98
3.5.2. Viables dependientes . . . . . . 99
4. DESARROLLO INGENIERIL . . . . . 100
4.1. PARÁMETROS A EVALUAR . . . . . 100
4.2. Emisor. . . . . . . . . 101
4.2.1. Toma de datos provenientes del medidor . . . 102
4.2.2. Modulación . . . . . . . 107
4.2.3. Acople del modulador a la red . . . . 114
4.2.3.1 Etapa de amplificación . . . . . 114
4.2.3.2 Etapa de acople de impedancias . . . . 114
4.2.3.3 Etapa de filtrado . . . . . . 125
4.2.3.4. Etapa de acople directo a la red . . . . 127
4.2.3.5. Etapa final de filtrado . . . . . 127
4.3. Receptor . . . . . . . . 130
4.3.1. Acople del demodulador a la red . . . 130
4.3.1.1. Filtro pasa alto pasivo. . . . . . 131
4.3.1.2. Seguidor. . . . . . . . 136
4.3.1.3. Amplificador. . . . . . . . 137
4.3.1.4. Filtro Rauch. . . . . . . . 137
4.3.2. Demodulación. . . . . . . . 147
5. PRESENTACIÓN DE ANÁLISIS Y RESULTADOS . . 158
5.1 ETAPA DE TRASMISIÓN DE DATOS . . . . 158
5.2 ETAPA DE RECEPCIÓN DE DATOS . . . . 161
6. CONCLUSIONES . . . . . . . 163
8
Pag
7. RECOMENDACIONES . . . . . . 165
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
9
ÍNDICE DE FIGURAS
Pag.
Figura 1. Fuente de voltaje. . . . . . . 34
Figura 2. Puente de Graetz. . . . . . . 35
Figura 3. Regulador de voltaje LM7805. . . . . 36
Figura 4. Regulador de voltaje LM7912. . . . . 38
Figura 5. Regulador de voltaje LM7812. . . . . 39
Figura 6. Diagrama electrónico PIC 16F8X. . . . 47
Figura 7. Estructura interna PIC 16F8X . . . . 49
Figura 8. Memoria PIC 16F8X . . . . . 49
Figura 9. Memoria de datos PIC 16F8X . . . . 51
Figura 10. Diagrama puertos E/S PIC 16F8X . . . 52
Figura 11. Filtro con realimentación negativa . . . 57
Figura 12. Filtro con realimentación positiva . . . 57
Figura 13. Filtro pasivo . . . . . . . 59
Figura 14. Filtro pasa banda . . . . . . 62
Figura 15. Respuesta ideal de un filtro pasa banda . . 63
Figura 16. Respuesta en frecuencia de un filtro pasa altas . 64
Figura 17. Filtro RC pasa banda pasivo . . . . 64
Figura 18. Filtro pasa bajos . . . . . . 65
Figura 19. Respuesta ideal de un filtro pasa bajos . . . 65
Figura 20. Filtro pasa bajo en altas frecuencias. . . . 66
Figura 21. Comportamiento del filtro pasa bajos de alta frecuencia 66
Figura 22. Respuesta de un filtro pasa banda . . . 67
Figura 23. Circuito pasa bajo equivalente por atenuación . . 67
Figura 24. Atenuación en la salida, al aumentar la frecuencia
de carga . . . . . . . 67
Figura 25. Filtro pasa bajo con adelanto de fase . . . 69
10
Pag
Figura 26. Filtro con condensador en paralelo evitando el desfase 69
Figura 27. Circuito compensado en frecuencia v.s.
circuito no compensado . . . . . 70
Figura 28. Modulación FSK . . . . . . 71
Figura 29. Respuesta banda angosta FSK . . . . 72
Figura 30. Diagrama electrónico XR-2206 . . . . 73
Figura 31. Estructura interna XR-2206 . . . . 74
Figura 32. Diagrama electrónico modulador de frecuencia . 75
Figura 33. Diagrama electrónico XR2211 . . . . 77
Figura 34. Estructura interna XR-2211 . . . . 78
Figura 35. Diagrama electrónico demodulador para frecuencia FSK 79
Figura 36. Ancho de banda para FSK . . . . . 80
Figura 37. Amplificador operacional . . . . . 82
Figura 38. Comparador . . . . . . . 84
Figura 39. Seguidor . . . . . . . 85
Figura 40. Inversor . . . . . . . 85
Figura 41. No Inversor . . . . . . . 86
Figura 42. Sumador . . . . . . . 87
Figura 43. Restador . . . . . . . 87
Figura 44. Integrador . . . . . . . 88
Figura 45. Derivador . . . . . . . 89
Figura 46. Diagrama electrónico TL072 . . . . 91
Figura 47. Diagrama estructura interna TL072 . . . 91
Figura 48. Redes de distribución Colombianas. . . . 93
Figura 49. Diagrama de bloques . . . . . 99
Figura 50. Circuito emisor del sistema. . . . . 100
Figura 51. Entrega de información a transmitir. . 102
11
Pag.
Figura 52. Estructura interna XR2206. . . . 106
Figura 53. Señales que pueden afectar los datos modulados. . 107
Figura 54. Señal modulada a una frecuencia de 80 kHz. . . 110
Figura 55. Señal modulada a una frecuencia de 100kHz . . 111
Figura 56. Respuesta del circuito modulador/80kHz. . . 112
Figura 57. Respuesta del circuito modulador/100kHz. . . 112
Figura 58. Diseño de inversor en etapa de amplificación . . 114
Figura 59. Simulación salida del modulador. . . . 115
Figura 60. Simulación salida del inversor en etapade amplificación. . . . . . . 115
Figura 61. Respuesta del circuito en la entrada
y salida del amplificador . . . . . 116
Figura 62. Seguidor emisor. . . . . . . 117
Figura 63. Diseño etapa de acople. . . . . 118
Figura 64. Diseño seguidor emisor. . . . . . 118
Figura 65. Simulación a la salida de la etapa de
acople de impedancias. . . . . . 119
Figura 66. Amplificador clase A . . . . . 119
Figura 67. Funcionamiento transistor clase A. . . . 120
Figura 68. Región activa transistor clase A. . . . 120
Figura 69. Señal de salida del acople de impedancias . . 123
Figura 70. Respuesta a la salida del circuito acople
de impedancias. . . . . . . 124
Figura 71. Diseño filtro pasa banda. . . . . . 124
Figura 72. Etapa de filtrado de red. . . . . . 127
Figura 73. Simulación filtro. . . . . . . 127
Figura 74. Respuesta del filtro acoplado a la red. . . . 128
12
Pag
Figura 75. Receptor. . . . . . . . 129
Figura 76. Filtro pasa alta pasivo . . . . . 130
Figura 77. Filtro Linkwitz-Riley . . . . . 130
Figura 78. Respuesta de filtro pasa alta. . . . . 135
Figura 79. Circuito seguidor. . . . . . . 135
Figura 80. Circuito amplificador. . . . . . 136
Figura 81. Selección filtro. . . . . . . 139
Figura 82. Selectividad. . . . . . . . 140
Figura 83. Asignación de frecuencias. . . . . . 141
Figura 84. Comportamiento del filtro. . . . . . 142
Figura 85. Circuito filtros. . . . . . . 143
Figura 86. Filtro Rauch implementado. . . . . 143
Figura 87. Simulación filtro Rauch. . . . . . 144
Figura 88. Señal entregada por el primer filtro. . . . 145
Figura 89. Señal entregada por el segundo filtro. . . . 145
Figura 90. Esquema lógico para la transmisión de datos. . . 158
Figura 91. Esquema lógico para la recepción de datos. . . 160
13
ÍNDICE DE TABLAS
Pag.
Tabla 1. Especificaciones técnicas LM7805 . . . 37
Tabla 2. Especificaciones técnicas LM7912 . . . 38
Tabla 3. Especificaciones técnicas LM7812 . . . 39
Tabla 4. Memoria de datos PIC16F8X . . . . 43
Tabla 5. Especificaciones técnicas PIC 16F8X. . . . 46
Tabla 6. Especificaciones técnicas XR-2206 . . . 74
Tabla 7. Especificaciones técnicas XR-2211 . . . 78
Tabla 8. Tablas rangos filtros Rauch. . . . . 137
Tabla 9. Estándares filtros Rauch . . . . . 138
14
Glosario
Amplificador: dispositivo para aumentar la amplitud o potencia, de una señal
eléctrica. Se utiliza para ampliar la señal eléctrica débil; un dispositivo de
amplificación de uso muy común es el transistor.
Atenuación: se denomina así a la pérdida de potencia sufrida por una señal al
transitar por cualquier medio de transmisión. Si se introduce una señal eléctrica
con una potencia P1 en un circuito pasivo, como puede ser un cable, esta
sufrirá una atenuación y al final de dicho circuito se obtendrá una potencia P2.
La atenuación (a) será igual a la diferencia entre ambas potencias.
Circuito de conmutación: un circuito de conmutación está compuesto por una
serie de contactos que representan las variables lógicas de entrada y una o
varias cargas que representan las variables lógicas o funciones de salida. Los
contactos pueden ser normalmente abiertos (NA) o normalmente cerrados
(NC). Los primeros permanecerán abiertos mientras no se actúe sobre ellos
(por ejemplo al pulsar sobre un interruptor, saturar un transistor etc.). Los
contactos NC funcionarán justamente al contrario. Esto significa que si se actúa
sobre un contacto NA se cerrará y si se hace sobre uno NC se abrirá.
Circuito integrado: pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una
función electrónica específica. Se combina por lo general con otros
componentes para formar un sistema más complejo y se fabrica mediante la
difusión de impurezas en silicio monocristalizado.
15
Demodulador: modificar alguno de los parámetros de una señal para
transformarla en una señal portadora.
EMC: correspondiente en inglés a Electromagnetic Compatibility. En castellano
se denomina compatibilidad electromagnética (CE). Es una rama de la
ingeniería eléctrica que estudia la generación, propagación y recepción
inintencionada de energía electromagnética, así como los efectos no deseados
de esa energía.
El objetivo de la EMC es el funcionamiento correcto en el mismo entorno de
diferentes equipos que producen fenómenos electromagnéticos cuando operan.
Factor de amplificación: es el coeficiente de los cambios a las pequeñas
variaciones en la tensión de entrada, pero mucho mayores, en la tensión de
salida.
Filtro: es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de
frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar
tanto su amplitud, como su fase. La función de transferencia de un filtro
determina la forma en que la señal aplicada, cambia en amplitud y fase al
atravesar el filtro, ya que este lo tipifica.
Medidor: son instrumentos que miden magnitudes eléctricas, como intensidad
de corriente, carga, potencial, energía, resistencia eléctrica, capacidad e
inductancia.
Modem: Es un acrónimo de “modulador/demodulador”. Se trata de un equipo,
externo o interno, utilizado para la comunicación a través de líneas análogas de
transmisión de voz y/o datos. El modem convierte las señales digitales del
emisor en otras analógicas, susceptibles de ser enviadas por la línea a la que
deben estar conectados del emisor y el receptor. Cuando la señal llega a su
16
destino, otro equipo se encarga de reconstruir la señal digital primitiva, de cuyo
proceso se encarga la señal receptora, (demodulador).
Modular: es la modificación de algunos de los parámetros que definen una
onda portadora (amplitud, frecuencia, fase), por una señal moduladora que se
quiere transmitir (voz, música, datos).
Monofásico: Referente eléctrico de una sola fase, de las líneas de potencia.
PLC: “POWER LINE COMMUNICATION”, comunicación por la red eléctrica
alterna.
Ruido: es considerado como una señal indeseable que puede alterar los
resultados deseados.
Semiconductor: material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor
que un aislante, pero mejor que un metal. La conductividad eléctrica que es la
capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de
potencial, es una de las propiedades físicas más importantes.
Transformador: dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada
junto a una o varias bobinas más y que se utiliza para unir dos o más circuitos
de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las
bobinas. La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina primaria.
Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un
transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama
transformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario este
dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de
intensidad de corriente por voltaje es constante en cada una de las bobinas de
17
forma que un transformador elevador el voltaje de la bobina secundaria viene
acompañado por la correspondiente disminución de corriente.
Transistor: sustituto de los tubos de electrones de los dispositivos más
comunes. Estos elementos semiconductores de estado sólido ofrecen ún alto
factor de amplificación, funcionan sin distorsión en una amplia banda de
frecuencias y pueden ser extremadamente pequeños.
Transmisión de datos: (transferencia de datos) es la transmisión de información
de un lugar a otro, tanto de un ordenador o computador, como entre un
ordenador y un dispositivo externo (otro ordenador, un servidor de archivos o
un ordenador perteneciente a una red).
Trifásico: Referente a las tres fases de las líneas de potencia, (R,S,T).
Velocidad de transferencia: (velocidad de modulación) es una referencia de la
velocidad, expresada en baudios, con que un modem puede transmitir datos.
Aunque a veces se supone, que indican el número de bitios por segundo (bps)
transmitidos, lo que la velocidad de transferencia mide realmente es el número
de sucesos (eventos) o cambios de señal, que e producen en un segundo.
18
INTRODUCCIÓN
La tecnología PLC (Power Line Communication) es una de las más modernas
formas de comunicación, que utiliza la red eléctrica ya desplegada y que
permite la posibilidad de ser usada para ofrecer múltiples servicios de
telecomunicaciones a través de los cables eléctricos de baja tensión. Puesto
que la energía eléctrica que llega a los hogares y demás clientes en forma de
corriente alterna senosoidal a un voltaje desde 120 V a 440 V con una
frecuencia de 50 ó 60 Hertz (dependiendo de las normas de cada país), es
posible pensar en la transmisión de datos a través de esta red, a una
frecuencia mucho mayor, para facilitar dicha comunicación.
Una de las grandes ventajas que ofrece este tipo de tecnología es que se
cuenta con la infraestructura ya desplegada a través de los posibles clientes
que deseen acceder a este servicio, además de la posibilidad de acceder a la
información a través de cualquier punto de la red, es decir, a cualquier lugar
que disponga de suministro eléctrico.
Una de las aplicaciones actuales es el uso de contadores o medidores
electrónicos del consumo de energía eléctrica para obtener los datos de
consumo directamente desde los contadores eléctricos instalados en los
hogares y demás clientes. El PLC es una innovadora tecnología que permite
transmitir estos datos a alta velocidad mediante la red eléctrica de baja y media
tensión. Este sistema permite leer los históricos de consumo de los contadores
de una forma rápida, precisa y eficaz. Además, facilita a las compañías
eléctricas la lectura de los contadores que tienen instalados sin necesidad de
crear nuevas infraestructuras, al aprovechar sus propias redes.
19
Este proyecto consiste básicamente en diseñar e implementar un sistema que
es capaz de capturar el consumo de energía eléctrica, indicada por el contador
eléctrico domiciliario y remitirla con la identificación del contador respectivo a
través de las líneas eléctricas (teniendo como plataforma la tecnología PLC) al
punto donde se requiere estos datos para realizar la facturación respectiva.
20
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1 ANTECEDENTES
1 Medidores de energía eléctrica.
La medición de energía eléctrica que se efectúa mediante medidores o
contadores, resulta de interés para calcular la cantidad de energía que la
compañía suministradora debe facturar a los consumidores. También se utiliza
para conocer la cantidad de energía a través de las redes de distribución que
no son traducidas precisamente en trabajo útil o electromecánico por falta de
compensación de cargas reactivas. Años atrás, la comercialización de la
energía eléctrica se efectuaba de manera muy simple porque se facturaba en
función de la unidad de energía vigente (Ah, Wh, KWh). Sin embargo, con el
permanente desarrollo industrial y la consecuente búsqueda del abaratamiento
de la producción por parte de las fábricas, se hizo necesaria la aplicación de
tarifas más complejas. Es importante comprender que la economía de la
producción de la energía eléctrica depende de su modo de utilización y este a
su vez de múltiples factores. Dichos factores dieron origen a la creación de una
gran variedad de medidores de energía, los cuales realizan un proceso de
tarifado que obliga al consumidor a ajustar sus instalaciones y su equipamiento,
como también los horarios de su funcionamiento, de tal manera que la
compañía productora trabaje con el mayor rendimiento de sus instalaciones de
distribución. De esa manera, la energía eléctrica puede ser ofrecida a menores
costos.
21
2 Tecnología PLC.
En 1997, las compañías United Utilities, de Canadá, y Northern Telecom, de
Inglaterra, presentaron al mercado una tecnología que podía conseguir que
Internet fuera accesible desde la red eléctrica: el PLC (Power Line
Communications). Desde entonces, las compañías eléctricas empezaron a
pensar que podían sacar un mayor rendimiento a sus redes y han sido
numerosas las iniciativas en el sector para llevar a cabo un despliegue masivo
de este servicio de comunicaciones.
Luego fueron los alemanes los que se unieron a la carrera por desarrollar la
tecnología Power Line Communications. A finales de 1999 y principios de 2000
España ingresó también en esta disputa a través de Endesa.
En la actualidad, en algunos países como Austria o Suiza ofrecen servicios
básicos a un número relativamente bajo de usuarios. Alemania fue el primer
país en ofrecer PLC comercial. La empresa pionera RWE ofrecía servicios por
unos 35 euros al mes, alcanzando en el 2001 los 20.000 abonados. Esto
explica que los principales suministradores europeos de estos equipos fueran
Siemens y Ascom (Suiza). El 30 de septiembre de 2002, RWE de Alemania
cesó sus servicios de PLC, dando como motivo problemas regulatorios no
resueltos de utilización del espectro.
2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
El flujo de información en el mundo actual es cada día mayor presentándose
posibles confusiones en tráfico y procesamiento de datos. Es común encontrar
errores en la prestación del servicio de las empresas de energía eléctrica como
22
la demora en la lectura de la medición y la mala digitación de los datos
recolectados por los visitadores; que causaría una mala prestación del servicio.
Las empresas para mejorar el servicio y aumentar su rentabilidad, implementan
nuevas tecnologías para satisfacer las necesidades de los usuarios y disminuir
sus gastos de logística.
¿Qué aspectos técnicos y funcionales debe tener el sistema de tele-registro del
consumo de energía eléctrica a través de las líneas de tensión alterna para
satisfacer las necesidades actuales en el registro del consumo de energía
eléctrica haciéndolo más rentable, rápido, eficaz y seguro?
3 JUSTIFICACIÓN
Aunque en Colombia existe extendida en un 90% de la población redes
eléctricas no se le da la importancia a la gran aplicabilidad que tiene la
tecnología PLC “Power Line Communication”, un campo que no ha sido
explotado y ofrece una infinidad de aplicaciones como la telefonía IP,
videoconferencias, Internet y transmisión de datos en general.
Históricamente, la medición de la energía eléctrica consumida por un
determinado usuario fue y sigue siendo, en muchos casos, el medidor
electromecánico o instrumento electrodinámico. No obstante, en la actualidad
está siendo reemplazado lentamente por dispositivos electrónicos que ofrecen
mayor seguridad, eficiencia y flexibilidad para la medición de diferentes
parámetros, no solamente el consumo de energía.
Actualmente la gran mayoría de las empresas prestadoras del servicio de
energía eléctrica realizan la lectura de los contadores eléctricos domiciliarios a
través de un equipo de profesionales ya sean subcontratados o que forman
23
parte del equipo de trabajo de las mismas empresas que se desplazan
físicamente hasta los medidores y registran los consumos manualmente. Es
por esto que, es común encontrar errores generados en el momento de la
lectura de los contadores así como en la transcripción de los datos a las
bases de datos de la empresa, contando con que este proceso finalice con
éxito, aún existen otra clase de inconvenientes como los costos de
desplazamiento del equipo o el retraso en la facturación y finalmente el
inconveniente más común que se presenta es, el no poder acceder a los
medidores debido a que el cliente no se encuentre en su domicilio o que no
permita el acceso a este. PLC es una opción atractiva para la transmisión de
estos datos, pues utiliza la red de electricidad existente. Lo que significa que
no requiere infraestructura adicional, evitando invertir en este aspecto. El
circuito de electricidad es la infraestructura para la red de datos.
La prestación del servicio de energía eléctrica en Colombia presenta múltiples
falencias como: facturación errónea, demora en el procesamiento de la
información, personal no capacitado para cubrir las grandes zonas de la red.
Para evitar en buena medida estas deficiencias, la aplicación del sistema que
se propone en este proyecto podría ser la solución. Con los métodos de
tele-lectura como el PLC se minimizan los errores en el servicio de lectura de
los contadores y se agilizan las gestiones comerciales tradicionales, como la
lectura, inspección y verificación de estos, por tanto reducción de costos en la
mano de obra y los desplazamientos.
Con la implementación de este proyecto se verían beneficiadas las empresas
prestadoras del servicio de energía eléctrica, debido a que se reducirían sus
costos en la recolección de los datos, como a sus clientes, puesto que este
servicio sería más confiable. Es una opción atractiva e innovadora que es
posible llevar a cabo gracias a los adelantos en la tecnología PLC.
4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.
24
1 Objetivo general
Diseñar e implementar un sistema de tele-registro del consumo de energía
eléctrica utilizando las líneas de tensión alterna.
2 Objetivos específicos
Identificar las características eléctricas y funcionales de los medidores
eléctricos domiciliarios, así como las líneas de tensión que suministran la
energía eléctrica domiciliaria.
Definir las características de estructuración, interconexión y
funcionamiento de los dispositivos que constituyen el sistema
Diseñar e implementar la fuente de alimentación para los diferentes
dispositivos que constituyen el sistema.
Interconectar los dispositivos, probar y poner en funcionamiento el
sistema
5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO.
1 Alcances
El proyecto culmina con la implementación de un prototipo que se divide en dos
etapas principales: la etapa de transmisión de datos y la etapa de adquisición
de los mismos, para lo cual se implementó una fuente de corriente continua
que entrega tres niveles de voltaje diferentes requeridos que alimentan los
circuitos, se dispuso de un medidor electrónico comercial para realizar la
lectura del consumo. La información tomada del medidor electrónico es
transmitida a través de la red eléctrica en un punto remoto.
25
2 Limitaciones
En cuanto a las limitaciones se reduce a que la demostración del
funcionamiento se realizará utilizando las líneas eléctricas internas
domiciliarias, las cuales tienen las mismas características de las externas
domiciliarias, la obtención del permiso por parte de las empresas de energía
eléctrica para realizar tal experimentación y pruebas es de difícil obtención.
1. MARCO DE REFERENCIA
26
1 MARCO CONCEPTUAL
Para transmitir los datos por la red eléctrica el proyecto se basó en el sistema
de comunicación PLC “Power Line Communication”, tecnología que posibilita
la transmisión de voz y datos a través de cables eléctricos a alta velocidad, en
banda ancha. La red eléctrica se transporta a una frecuencia de 60 Hz. En PLC
se añaden frecuencias en la banda y un filtro pasa banda libera los datos y
facilita el tráfico bidireccional. Para esto se hace necesario un sistema de
modulación de datos, en este caso se utilizó el sistema de modulación FSK
“Frequency shift keying” el cual es un tipo de modulación de frecuencia cuya
señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía entre valores
predeterminados. En los sistemas de modulación por salto de frecuencia, FSK,
la señal moduladora hace variar la frecuencia de la portadora, de modo que la
señal modulada resultante codifica la información asociándola a valores de
frecuencia diferentes. Este tipo de modulación se implementó con un circuito
modulador basándose en el modulador monolítico de funciones XR-2206 cuyas
especificaciones técnicas están dadas por el fabricante, este dispositivo
electrónico es ideal para este tipo de modulación debido a su comportamiento
frente al ruido, debido a las perdidas presentes en el sistema se implemento
una etapa de amplificación por medio de amplificadores operacionales ref.
TL072, dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de
manejo de señal desde f = 0 Hz, hasta una frecuencia definida por el
fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV,
hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el
fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada
diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes
a 100 dB.
27
Esta señal modulada se envía a través de la red eléctrica, y tiene unas
características definidas que se deben tener en cuenta para este tipo de
aplicaciones. La Pontificia Universidad Javeriana en su revista de la facultad de
ingeniería volumen 10, numero 002 publicó un artículo que ayuda a
comprender mejor las características de la red eléctrica en Colombia, y define
sus cuatro componentes principales:
Generación.
Líneas de transmisión.
Subestaciones o estaciones transformadoras.
Sistema de distribución de media y baja tensión.
Este último es el de mayor interés para la aplicación de la tecnología PLC
Los circuitos primarios (MV) “media tensión”, de distribución urbana son
trifásicos trifilares, con un neutro puesto a tierra en la subcentral, y con una
tensión y frecuencia nominal para Bogotá de 11.4 KV y 60Hz respectivamente.
Para otras zonas del país y para circuitos rurales los parámetros mencionados
son de 13.2KV y 60Hz. También existen circuitos primarios a 34.5Kv que se
utilizan en las zonas industriales dentro del área urbana, que distribuyen
energía eléctrica desde una subcentral, o en algunas ocasiones, uniendo dos
subcentrales por medio de circuitos dobles desde los cuales se derivan las
acometidas a los diferentes usuarios industriales. Los circuitos secundarios
(LV) “baja tensión”, son trifásicos trifilares conectados en estrella con un neutro
puesto a tierra en los transformadores cada tercer poste y en los terminales de
circuito. Los voltajes de suministro son los siguientes:
Monofásico bifilar a 120 voltios + ó – 5% mediante acometida de dos
conductores conectados a fase y neutro.
Monofásico trifilar a 110/220 voltios + ó – 5%, 120/240 voltios + ó –
5% o tomado de un sistema trifásico a 208/120 voltios + ó – 5%.
28
Trifásico a 120/208 voltios + ó – 5% mediante acometida de cuatro
conductores conectados a las tres fases y el neutro.
Los circuitos LV pueden alimentar a cada uno de los usuarios con una
acometida individual que puede ser aérea o subterránea, o puede ir a un
barraje situado a un tablero desde donde salen acometidas para cada usuario.
Una vez establecidas estas especificaciones técnicas se debe continuar con la
etapa de filtrado de la señal, con el objetivo de tener una mejor señal se
estableció el tipo de filtro “filtro pasa banda”. Los filtros son circuitos
electrónicos que poseen una entrada y una salida se utilizan para poder dejar
pasar un determinado rango de frecuencias, con lo que atenúa las demás
frecuencias que se presenten, en la entrada se introducen señales alternas de
diferentes frecuencias y en la salida se extraen esas señales atenuadas en
mayor o menor medida, según la frecuencia de la señal.
Casi todos los sistemas de comunicación emplean filtros, los filtros pueden ser
pasivos o activos. Si el circuito del filtro está formado por resistencias,
condensadores y/o bobinas (componentes pasivos) el filtro se dirá que es un
filtro pasivo se usan generalmente por encima de 1MHZ, no tienen ganancia en
potencia y son relativamente difíciles de sintonizar; para cada tipo de filtro
existe un esquema básico que lo caracteriza y además es posible conectarlos
en cascada (uno a continuación del otro).
Los filtros activos se construyen con resistencias, condensadores y
amplificadores operacionales. Se usan por debajo de 1MHz, tienen ganancia en
potencia y son relativamente fáciles de sintonizar.
Esta señal filtrada debe ser demodulada nuevamente para su comprensión,
como el modulador se encuentra establecido, el demodulador debe pertenecer
a la misma familia para que pueda haber una comprensión entre los dos, es por
esto que se seleccionó el demodulador de frecuencias FSK XR-2211 las
29
especificaciones técnicas y la configuración como demodulador nos las brinda
el fabricante.
Para la visualización de los datos transmitidos se resolvió realizarla con la
ayuda de una pantalla liquida o LCD: (Liquid Crystal Display) son las siglas en
inglés de Pantalla de Cristal Líquido, dispositivo inventado por Jack Janning,
quien fue empleado de NCR (National Cash Register).
Se trata de un sistema eléctrico de presentación de datos, formado por 2 capas
conductoras transparentes y en medio un material especial cristalino (cristal
líquido) que tienen la capacidad de orientar la luz a su paso.
Cuando la corriente circula entre los electrodos transparentes con la forma a
representar (por ejemplo, un segmento de un número) el material cristalino se
reorienta alterando su transparencia.
Todos estos circuitos deben ser alimentados por algún tipo de fuente
alimentación, para este caso específico se seleccionó una fuente de
alimentación de corriente continua lineal con salidas de voltaje de 12V, -12V y
5V.
2 MARCO TEÓRICO
1 Medidores.
La medición de energía eléctrica que se efectúa mediante medidores o
contadores, resulta de interés para calcular la cantidad de energía que la
compañía suministradora debe facturar a los consumidores. También se utiliza
para conocer la cantidad de energía a través de las redes de distribución que
no son traducidas precisamente en trabajo útil o electromecánico por falta de
compensación de cargas reactivas. Años atrás, la comercialización de la
30
energía eléctrica se efectuaba de manera muy simple porque se facturaba en
función de la unidad de energía vigente (Ah, Wh, KWh). Sin embargo, con el
permanente desarrollo industrial y la consecuente búsqueda del abaratamiento
de la producción por parte de las fábricas, se hizo necesaria la aplicación de
tarifas más complejas. Es importante comprender que la economía de la
producción de energía eléctrica depende de su modo de utilización y este a su
vez de múltiples factores. Dichos factores dieron origen a la creación de una
gran variedad de medidores de energía, los cuales realizan un proceso de
tarifado que obliga al consumidor a ajustar sus instalaciones y su equipamiento,
como también los horarios de su funcionamiento, de tal manera que la
compañía productora trabaje con el mayor rendimiento de sus instalaciones de
distribución. De esa manera, la energía eléctrica puede ser ofrecida a menores
costos. Históricamente, la medición de la energía eléctrica consumida por un
determinado usuario fue y sigue siendo en muchos casos, el medidor
electromecánico o instrumento electrodinámico. No obstante, en la actualidad
está siendo reemplazado lentamente por dispositivos electrónicos que ofrecen
mayor seguridad, eficiencia y flexibilidad para la medición de diferentes
parámetros, y no solamente de energía. Estos equipos poseen memoria no
volátil para almacenar datos referidos al comportamiento del sistema, que
permiten realizar un seguimiento del mismo. También están adaptados para
implementar un sistema de energía prepaga, que tienen bastante aceptación
por parte de los distribuidores, porque permite un mejor control por fraude o
hurto de energía.
Para poder distinguir los medidores en cuanto a su propósito, se los puede
agrupar de la manera siguiente:
a. Considerando el sistema de la red a través de la cual se utiliza la energía:
medidores monofásicos y trifásicos (para tres y cuatro conductores).
31
b. Considerando el tipo de receptor cuyo funcionamiento influye en la tarifa:
medidores de energía activa, reactiva o aparente.
c. Considerando el horario de utilización y la máxima carga de corta
duración: medidores de tarifa múltiple y de demanda máxima. Existen
diferentes tipos de medidores que pueden pertenecer a uno o varios de
estos grupos.
A pesar del constante desarrollo que han tenido los medidores
electromecánicos en las últimas décadas, los medidores electrónicos o de
estado sólido están abarcando el mercado porque no sólo realizan la misma
función que los anteriores, sino que no cuentan con partes móviles o
electromecánicas, evitando el error por desgastes y deformaciones. Tienen
más prestaciones porque miden energía activa, reactiva y aparente, la
demanda máxima, doble y multitarifa. Miden la tensión de línea, la corriente que
está circulando, el factor de potencia, y otras características de la red, que
determinan un parámetro global denominado calidad de energía. Actualmente,
hay una gran variedad de este tipo de medidores, cada uno con características
diferentes, que permiten cubrir prácticamente todas las necesidades en cuanto
a medición paramétrica se refiere. De todas maneras hay que tener en cuenta
todo lo referido a medidores electromecánicos, como errores, márgenes para
un buen funcionamiento y sobre todo reglamentaciones. Casi todas las firmas
presentes en el mercado dedicadas al desarrollo de contadores
electromecánicos incluyen en sus avances a los electrónicos, dada la gran
versatilidad que presentan los mismos y por ser la tendencia actual.
2 Fuentes de alimentación.
Las fuentes de alimentación continua son las adecuadas para la alimentación
de circuitos de corriente directa. Usualmente la entrada es una tensión alterna
32
proveniente de la red eléctrica comercial y la salida es una tensión continua con
bajo nivel de rizado. Constan de tres o cuatro etapas:
Sección de entrada: compuesta principalmente por un rectificador,
también tiene elementos de protección como fusibles, varistores, etc.
Regulación: su misión es mantener la salida en los valores prefijados.
Salida: su misión es filtrar, controlar, limitar, proteger y adaptar la fuente a
la carga a la que esté conectada.
Este tipo de fuentes pueden ser tanto lineales como conmutadas.
Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro,
regulación y salida. En primer lugar el transformador adapta los niveles de
tensión y proporciona aislamiento galvánico. El circuito que convierte la
corriente alterna en continua se llama rectificador, después suelen llevar un
circuito que disminuye el rizado como un filtro de condensador. La regulación
se consigue con un componente disipativo regulable. La salida puede ser
simplemente un condensador.
Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador,
transformador, otro rectificador y salida. La regulación se obtiene con el
conmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse Width Modulation) que
cambia el ciclo de trabajo. Aquí las funciones del transformador son las mismas
que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador
convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor
continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo
LC.
Las ventajas de las fuentes lineales son una mejor regulación, velocidad y
mejores características EMC. Por otra parte las conmutadas obtienen un mejor
rendimiento, menor costo y tamaño.
33
Debido a las características del diseño del proyecto, se hace conveniente el
uso de una fuente de alimentación lineal, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Fuente de voltaje.
1 Rectificador de onda completa.
Circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi)
en corriente continua de salida (Vo). A diferencia del rectificador de media
34
onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien
la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una
señal positiva o negativa de corriente continua.
Existen dos alternativas, bien sea empleando dos diodos o empleando cuatro
(puente de Graetz).
2 Puente de Graetz o puente rectificador.
Se emplean cuatro diodos dispuestos como se muestra en la figura 2. Con esta
configuración, sólo son posibles dos estados de conducción o bien los diodos 1
y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los
diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa).
La tensión máxima de salida es la del secundario del transformador, la misma
que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con
dos diodos.
Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de corriente
continua.
Figura 2. Puente de Graetz.
35
Fuente.http://www.terra.es/personal2/equipos2/fas.htm
3 Regulador de voltaje.
Un regulador es un dispositivo electrónico creado para obtener un valor de
salida deseado con base en el nivel de entrada, ya sea mecánico o eléctrico.
Consiste en fijar el valor de la tensión de salida, siendo esta típicamente de 9,
12, 15 o 18V, en función de la entrada. Por lo general es un elemento de
bajada y con una disipación de calor proporcional. Un ejemplo mecánico es una
llave de agua donde se regula el flujo de agua que sale por ella.
Los reguladores son de dos tipos: fijos o ajustables; de esta forma se puede
tener cualquier gama de tensiones con un bajo costo.
Regulador LM7805
Regulador de voltaje configurado como se muestra en la figura 3 con la
capacidad de entregar una carga de -5 Voltios que cuenta con
especificaciones técnicas enunciadas en a tabla 1.
36
Figura 3. Regulador de voltaje LM7805.
Fuente: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/M/7/8/LM7805.shtml
Tabla 1. Especificaciones técnicas LM 7805
Output Current 1500 mA
Output Voltage -5 Volt
InputMin Voltage -25 Volt
InputMax Voltage -7 Volt
RegType Linear Regulator
Output Current 1500 mA
Output Min -5 Volt
Output Max -5 Volt
Output Voltage -5 Volt
37
InputMin Voltage -25 Volt
InputMax Voltage -7 Volt
On/Off Pin No
Error Flag No
Watchdog No
Adjustable Output No
RegType Linear Regulator
Temperature Min 0 deg C
Temperature Max 125 deg C
Fuente:http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/M/7/8/LM7805.shtml
Regulador LM 7912
Regulador de voltaje configurado como se muestra en la figura 4 con la
capacidad de entregar un carga de -12 voltios y cuyas especificaciones se
encuentran en la tabla 2.
Figura 4. Regulador de voltaje LM7912.
38
Fuente:http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/M/7/9/LM7912.shtml
Tabla 2. Especificaciones técnicas LM7912Output Current 1500 mA
Output Voltage -12 Volt
InputMin Voltage -35 Volt
InputMax Voltage -14.5 Volt
RegType Linear Regulator
Output Current 1500 mA
Output Min -12 Volt
Output Max -12 Volt
Output Voltage -12 Volt
InputMin Voltage -35 Volt
InputMax Voltage -14.5 Volt
On/Off Pin No
Error Flag No
Watchdog No
Adjustable Output No
RegType Linear Regulator
Temperature Min 0 deg C
Temperature Max 125 deg C
Fuente:http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/M/7/9/LM7912.shtml
39
Regulador LM7812.
Regulador de voltaje configurado como se muestra en la figura 5 capaz de
entregar 12V, sus especificaciones técnicas se observan en la tabla 3.
Figura 5. Regulador de voltaje LM7812.
Fuente:http://mipsa.p.lodz.pl/download/BazaWiedzy/zasilania/LM7805.pdf
Tabla 3. Especificaciones técnicas LM7812
Output Current 1500 mA
Output Voltage 12 Volt
InputMin Voltage 35 Volt
InputMax Voltage 14.5 Volt
RegType Linear Regulator
Output Current 1500 mA
Output Min 12 Volt
Output Max 12 Volt
Output Voltage 12 Volt
InputMin Voltage 35 Volt
InputMax Voltage 14.5 Volt
On/Off Pin No
RegType Linear Regulator
Temperature Min 0 deg C
Temperature Max 125 deg C
40
Fuente:http://mipsa.p.lodz.pl/download/BazaWiedzy/zasilania/LM7805.pdf
2.2.3 PROTOCOLO X-10
Especificaciones:
Permite la transmisión de datos a baja velocidad por las líneas de baja tensión.
La información a transmitir por la red AC se digitaliza.
La información digital representada en 1 y O lógico se transmite mediante
señales de control.
Las señales de control se sincronizan en el cruce por cero de la señal eléctrica
de 60 Hz.
Las señales de control, que representan la información digital, se transmiten en
ráfagas de pulsos de alta frecuencia: 120 KHz.
Un 1 lógico es la presencia de una ráfaga de pulsos de 120 KHz durante un (1)
milisegundo (mseg.) del semiciclo positivo de la señal eléctrica de 60 Hz y la
ausencia de la ráfaga en el semiciclo negativo.
Un cero lógico es la presencia de una ráfaga de pulsos de 120 KHz durante un
(1) milisegundo (mseg.) del semiciclo negativo de la señal eléctrica de 60 Hz y
la ausencia de la ráfaga en el semiciclo positivo
Los: _bits 1 y 0 lógicos tiene en común la presencia y ausencia de ráfaga de
pulsos en los semiciclos de la señal de 60 Hz; se diferencian en los tiempos de
envío de la ráfaga de pulsos.
* Para enviar un comando se genera una trama que contenga: el código de
inicio, el identificador del módulo y el número de la llave.
El código de inicio o Start Code se transmite a través de ráfagas especiales
que le informan a todos los módulos que se va a enviar una trama X-10.
Los comandos pueden llegar a todos los módulos, pero sólo actúa aquel
módulo al que va dirigido y esto se reconoce mediante la comparación de los
bits de identificación del módulo con el identificador de módulo o House Code,
que viene en la trama.
41
Cada ráfaga de pulsos se envía en el cruce por cero de cada semiciclo de la
señal eléctrica de 60 Hz; por lo tanto, se requieren 11 ciclos para transmitir un
comando en su totalidad.
El tiempo que demora la transmisión de un comando es: T = 11 ciclos * 16, 66
mseg. / Ciclo.
4 PIC
Un PIC es un microcontrolador basado en memoria EPROM/FLASH
desarrollado por Microchip Technology.
1 Introducción histórica
En 1965 GI formó una división de microelectrónica, destinada a generar las
primeras arquitecturas viables de memoria EPROM y EEPROM. De forma
complementaria GI Microelectronics Division fue también responsable de
desarrollar una amplia variedad de funciones digitales y analógicas en las
familias AY3-xxxx y AY5-xxxx.
GI también creó un microprocesador de 16 bitios, denominado CP1600, a
principios de los 70. Este fue un microprocesador razonable, pero no
particularmente bueno manejando puertos de I/O. Para algunas aplicaciones
muy específicas GI diseñó un Controlador de Interfaz Periférico (PIC) entorno a
1975. Fue diseñado para ser muy rápido, además de ser un controlador de I/O
para una máquina de 16 bitios pero sin necesitar una gran cantidad de
funcionalidades, por lo que su lista de instrucciones fue pequeña.
No es de extrañar que la estructura diseñada en 1975 sea, sustancialmente, la
arquitectura del actual PIC16C5x. Además, la versión de 1975 fue fabricada
con tecnología NMOS y sólo estaba disponible en versiones de ROM de
42
máscara, pero seguía siendo un buen pequeño microcontrolador. El mercado,
no obstante, no pensó así y el PIC quedó reducido a ser empleado por grandes
fabricantes únicamente.
Durante los 80, GI renovó su apariencia y se reestructuró, centrando su trabajo
en sus principales actividades, semiconductores de potencia esencialmente, lo
cual siguen haciendo actualmente con bastante éxito. GI Microelectronics
Division cambió a GI Microelectronics Inc (una especie de subsidiaria), la cual
fue finalmente vendida en 1985 a Venture Capital Investors, incluyendo la
fábrica en Chandler, Arizona. La gente de Ventura realizó una profunda revisión
de los productos en la compañía, desechando la mayoría de los componentes
AY3, AY5 y otra serie de cosas, dejando sólo el negocio de los PIC y de las
memorias EEPROM y EPROM. Se tomó la decisión de comenzar una nueva
compañía, denominada Arizona Microchip Technology, tomando como
elemento diferenciador sus controladores integrados.
Como parte de esta estrategia, la familia NMOS PIC165x fue rediseñada para
emplear algo que la misma compañía fabricaba bastante bien, memoria
EPROM. De esta forma nació el concepto de basarse en tecnología CMOS,
OTP y memoria de programación EPROM, apareciendo la familia PIC16C5x.
Actualmente Microchip ha realizado un gran número de mejoras a la
arquitectura original, adaptándola a las actuales tecnologías y al bajo costo de
los semiconductores.
2 Tipos de PIC
43
Existen diversas familias de PIC, las cuales se amplían constantemente, pero
las más básicas son:
PIC16C5x: instrucciones de 12 bitios, 33 instrucciones, 2 niveles de
acumulador, sin interrupciones. En algunos casos la memoria es del tipo
ROM, definida en fábrica.
PIC16Cxx: instrucciones de 14 bitios, 35 instrucciones, 8 niveles de
acumulador. El PIC16C84 posee memoria EEPROM.
PIC17Cxx: instrucciones de 16 bitios, 55 instrucciones, 16 niveles de
acumulador. A menos que se indique, la memoria es del tipo EPROM.
Adicionalmente existen otras familias derivadas, como los PIC16Fxx que
emplean memoria del tipo FLASH
3 Microcontrolador PIC 16F8x.
En la tabla 4 encontramos tipos de memoria de programa.
Tabla 4. Memoria de datos PIC 16F8X.
FLASH-PROGRAMAMEMORIA DE
DATOSEEPROM-DATOS
PIC16F83 512 bytes 36 bytes 64 bytes
PIC16F84 1 K bytes 68 bytes 64 bytesFuente:http://personal.telefonica.terra.es/web/x-robotics/downloads/datasheets/16F8x.pdf
Adicionalmente hay una familia derivada PIC16LF8X con voltaje extendido. Los
PIC16F8X son iguales a los 16C8X salvo que sustituyen FLASH por EPROM
para la memoria de programa.
44
Características de CPU
CPU con núcleo RISC
35 instrucciones
Ejecución de instrucciones en un ciclo (salvo saltos de
programa en dos ciclos)
Frecuencia máxima de trabajo: 10 MHz (400/ns de ciclo de
instrucción)
14 bitios de tamaño de instrucción
8 bitios de tamaño de datos
15 registros de función especial
Stack de 8 niveles de profundidad
Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo
4 fuentes de interrupción:
pin externo RB0/INT
exceso de temporizador TMR0
interrupción por cambio del puerto B (7:4)
escritura completa de EEPROM
1 millón de ciclos de borrado/escritura en EEPROM
Retención de datos en EEPROM > 40 años
Características de periferia
13 pines de I/O para control de direccionamiento individual
Alta corriente de salida para manejar LED’s directamente:
25 mA de pico por pin
20 mA entregados por pin
Características especiales del microcontrolador
Power en Reset (POR)
Power por temporización (PWRT)
45
Temporizador de comienzo por oscilador (OST)
Temporizador de "perro guardián" o watchdog (WDT) con su
propio oscilador RC para mejor operación
Protección de código
Modo SLEEP para ahorro de energía
Programación del sistema por puerto serie de dos pines (los
dispositivos ROM sólo soportan programación de datos en
EEPROM)
Tecnología CMOS
Tecnología de baja potencia y alta velocidad CDMOS
Flash/EEPROM (tabla 5)
Diseño completamente estático
Rango de voltajes de trabajo:
a. Comercial: 2.0V a 6.0V
b. Industrial: 2.0V a 6.0V
Bajo consumo de potencia:
a. <2mA típicos a 5V y 4MHz
b. 15 μA típicos a 2V y 32 kHz
c. 1 μA típico de corriente de "standby" o espera a 2V
En la tabla 5, página 27 se observan las especificaciones técnicas del PIC
16F8X entregadas por el fabricante.
En la figura 6, pagina 28, se muestra la configuración electrónica del PIC.
Tabla 5. Especificaciones técnicas PIC 16F8X.Nº pin Nombre Tipo (E/S/A) Tipo de buffer Descripción
16 OSC1/CLKIN E ST/CMOS (3)entrada del cristal oscilador / entrada externa
de reloj
46
15 OSC2/CLKOUT S -
Salida del cristal oscilador. En el modo de
oscilación por cristal se conecta al cristal o
resonador. En modo RC OSC2 proporciona
CLKOUT (salida de reloj), que posee 1/4 de
la frecuencia de OSC1, y representa el ciclo
de instrucción.
4 MCLR' E/A ST
Entrada de reset / entrada de voltaje de
programación. Este pin es un reset activo a
nivel lógico bajo del dispositivo.
17 RA0 I/O TTL PORTA es un puerto de I/O bidireccional
18 RA1 I/O TTL
Puede ser seleccionado también para ser la
entrada de reloj al contador/temporizador
TMR0. La salida es de colector abierto.
1 RA2 I/O TTL
2 RA3 I/O TTL
3 RA4/T0CKI I/O ST
6 RB0/INT I/O TTL/ST (1)
PORTB es un puerto de I/O bidireccional que
puede ser programado para levantar
internamente todas las entradas.
7 RB1 I/O TTL
8 RB2 I/O TTLRB0/INT puede ser seleccionado como un
pin de interrupción externa
9 RB3 I/O TTL
10 RB4 I/O TTLRB4 a RB7 son pines de interrupción por
cambio de estado.
11 RB5 I/O TTLRB6 es la entrada de reloj de programación
y RB7 la entrada de programación serie.
12 RB6 I/O TTL/ST (2)
13 RB7 I/O TTL/ST (2)
5 Vss A -Referencia de tierra (masa) para todos los
pines lógicos de I/O.
Fuente:http://personal.telefonica.terra.es/web/x-robotics/downloads/datasheets/16F8x.pdf
Figura 6. Diagrama electrónico PIC 16F8X.
47
Fuente:http://personal.telefonica.terra.es/web/x-robotics/downloads/datasheets/16F8x.pdf
Arquitectura interna
Los microcontroladores PIC utilizan la arquitectura Harvard, la cual separa
la memoria de programa de la memoria de datos. Esto hace que el
dispositivo tenga un bus de datos y otro de memoria de programa, hecho
que permite acceder a ambos simultáneamente. En el caso de la memoria
de programa es interna, ya que se encuentra en forma de EPROM o
FLASH dentro del propio PIC. (figura6)
Otra característica reseñable es que las instrucciones en los PIC son de
14 bitios y no de 8, permitiendo instrucciones de palabra única con
operación y operando en la misma palabra.
En cuanto a los registros los PIC pueden direccionarse tanto directa como
indirectamente. Todos los registros de función especial, incluyendo el
contador de programa, están accesibles en la memoria de datos y pueden
ser operados de cualquier forma y empleando cualquier modo de
direccionamiento (ortogonalización).
48
Igualmente, todos los elementos del sistema (temporizadores, puertos de
I/O, etc.) están implementados como registros.
La unidad lógica aritmética (ALU)
Los PIC poseen una ALU de 8 bitios y un registro de trabajo (W) de 8
bitios, pudiéndose efectuar operaciones aritméticas y booleanas entre el
registro de trabajo y cualquier otro registro. Por naturaleza los datos se
operan en complemento a menos que se diga lo contrario (Figura 7).
En función de las instrucciones ejecutadas la ALU puede afectar los
valores de los siguientes registros:
Acarreo (C)
Acarreo de dígito (DC)
bit Cero (Z) del registro de estado.
Figura 7.Estructura interna PIC 16F8X.
49
Fuente:http://personal.telefonica.terra.es/web/x-robotics/downloads/datasheets/16F8x.pdf
Organización de la memoria.
Hay dos bloques de memoria en el PIC16F8x. Éstas son la memoria del
programa y la memoria de datos (figura 8). Cada bloque posee su propio
bus, con la finalidad que el acceso para cada bloque pueda ocurrir
durante el mismo ciclo del oscilador.
Figura 8.Memoria PIC 16F8X
50
Fuente:http://personal.telefonica.terra.es/web/xrobotics/downloads/datasheets/16F8x.pdf
Memoria de programa
La memoria de programa está organizada en palabras de 14 bitios y es
del tipo FLASH. (figura8) Esta memoria es de sólo lectura y únicamente
se ejecutará el código contenido en ella. El vector de reset se encuentra
en la posición 0000h y el de interrupciones en la 0004h, por lo que la
memoria de usuario se extiende desde la dirección 0005h.
Memoria de datos
La memoria de datos está dividida en Registros de Propósito General
(GPR) y los Registros de Función Especiales (SFR). Los SFR controlan
la operación del dispositivo.
Para el estudio de esta memoria se suele dividir virtualmente la misma
en dos bancos, tal y como se puede apreciar en el gráfico adjunto. De
51
esta forma los registros GPR están agrupados entre 00h-0Bh y 80h-8Bh.
Los registros de propósito general pueden ser accedidos desde 0Ch-2Fh
o 8Ch-AFh, aunque se recomienda siempre el primer intervalo.
Las zonas de memoria 30h-7Fh y B0h-FFh no son empleadas y
devuelven 0 en lectura. El área de memoria de datos también contiene
la memoria de datos EEPROM. Esta memoria no está directamente
mapeada en la memoria de datos, pero está indirectamente mapeada.
Esto es, un puntero de dirección indirecta especifica la dirección de la
memoria de datos EEPROM para lectura/escritura. Los 64 bytes de
memoria de datos EEPROM tienen el rango de dirección 00h-3Fh.
Para acceder a la EEPROM en lectura y escritura se emplearon dos
registros, que forman el puntero de dirección indirecta: (figura9)
EEDATA (0008h), para datos
EEADR (0009h), para direcciones
Para definir el modo de funcionamiento se empleó los registros
especiales:
EECON1 (0088h)
EECON2 (0089h)
Figura 9.Memoria de datos PIC 16F8X
52
Fuente:http://personal.telefonica.terra.es/web/xrobotics/downloads/datasheets/16F8x.pdf
Puertos de I/O
Se dispone de dos puertos de entrada y salida (I/O). (figura10)
Puerto A
Posee 5 líneas (RA0 a RA4), en la que RA4 o T0CKI es compartida con la entrada
para el temporizador 0 (TMR0).
Puerto B
53
Posee 8 líneas de I/O (RB0 a RB7), en la que la línea RB0 o INT
es compartida con la entrada de interrupción externa
Figura 10. Diagrama puertos I/O PIC 16F8X
Fuente: http://www.redeya.com
5 LCD (Liquid Crystal Display)
(Liquid Crystal Display) son las siglas en inglés de pantalla de cristal líquido,
dispositivo inventado por Jack Janning, quien fue empleado de NCR.
54
Se trata de un sistema eléctrico de presentación de datos formado por 2 capas
conductoras transparentes y en medio un material especial cristalino (cristal
líquido) que tienen la capacidad de orientar la luz a su paso.
Cuando la corriente circula entre los electrodos transparentes con la forma a
representar (por ejemplo, un segmento de un número) el material cristalino se
reorienta alterando su transparencia.
El material base de un LCD lo constituye el cristal líquido, el cual exhibe un
comportamiento similar al de los líquidos y unas propiedades físicas
anisotrópicas similares a las de los sólidos cristalinos. Las moléculas de cristal
líquido poseen una forma alargada y son más o menos paralelas entre sí en la
fase cristalina. Según la disposición molecular y su ordenamiento, se clasifican
en tres tipos: neumáticos, esméticos y colestéricos. La mayoría de cristales
responden con facilidad a los campos eléctricos, exhibiendo distintas
propiedades ópticas en presencia o ausencia del campo. El tipo más común de
visualizador LCD es, con mucho, el denominado nemático de torsión, término
que indica que sus moléculas en su estado desactivado presentan una
disposición en espiral. La polarización o no de la luz que circula por el interior
de la estructura, mediante la aplicación o no de un campo eléctrico exterior,
permite la activación de una serie de segmentos transparentes, los cuales
rodean al cristal líquido. Según sus características ópticas, pueden también
clasificarse como: reflectivos, transmisivos y transreflectivos.
Las pantallas LCD se encuentran en multitud de dispositivos industriales y de
consumo: máquinas expendedoras, electrodomésticos, equipos de
telecomunicaciones, computadoras, etc. Todos estos dispositivos utilizan
pantallas fabricadas por terceros de una manera más o menos estandarizada.
Cada LCD se compone de una pequeña placa integrada que consta de:
La propia pantalla LCD.
55
Un microchip controlador.
Una pequeña memoria que contiene una tabla de caracteres.
Una interfaz de contactos eléctricos, para conexión externa.
Opcionalmente, una luz trasera para iluminar la pantalla.
El controlador simplifica el uso del LCD proporcionando una serie de funciones
básicas que se invocan mediante la interfaz eléctrica, destacando:
La escritura de caracteres en la pantalla.
El posicionado de un cursor parpadeante, si se desea.
El desplazamiento horizontal de los caracteres de la pantalla (scrolling).
La memoria implementa un mapa de bitios para cada carácter de un juego de
caracteres, es decir, cada octeto de esta memoria describe los puntitos o pixels
que deben iluminarse para representar un carácter en la pantalla.
Generalmente, se pueden definir caracteres a medida modificando el contenido
de esta memoria. Así, es posible mostrar símbolos que no están originalmente
contemplados en el juego de caracteres.
La interfaz de contactos eléctricos suele ser de tipo paralelo, donde varias
señales eléctricas simultáneas indican la función que debe ejecutar el
controlador junto con sus parámetros. Por tanto, se requiere cierta
sincronización entre estas señales eléctricas.
La luz trasera facilita la lectura de la pantalla LCD en cualquier condición de
iluminación ambiental.
6 Filtros
56
Cualquier combinación de los elementos pasivos (R, L y C) y/o activos
(transistores o amplificadores operacionales) diseñados para rechazar una
banda de frecuencia se denomina un filtro.
Un filtro es un sistema que, dependiendo de algunos parámetros, realiza un
proceso de discriminación de una señal de entrada obteniendo variaciones en
su salida. Los filtros digitales tienen como entrada una señal analógica o digital
y a su salida tienen otra señal analógica o digital, pudiendo haber cambiado en
amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características del filtro.
El filtrado digital es parte del procesado de señal digital. Se le da la
denominación de digital más por su funcionamiento interno que por su
dependencia del tipo de señal a filtrar, así, se puede llamar filtro digital tanto a
un filtro que realiza el procesado de señales digitales como a otro que lo haga
de señales analógicas.
1 Implementación de filtros
El proceso de diseño de filtros consiste en encontrar una función de
transferencia que cumpla las especificaciones dadas. Una vez conseguida, se
implementa un circuito electrónico cuya función de transferencia sea
precisamente ésta. A la hora de implementar el filtro, se tiene que elegir entre
filtros activos o pasivos. Esta elección dependerá de la aplicación a solucionar.
Ventajas e inconvenientes de los filtros activos frente a los pasivos:
Ventajas:
Posibilidad de obtener impedancia de entrada elevada e
impedancia de salida baja.
Posibilidad de conexión en cascada.
Eliminación de las bobinas.
57
Posibilidad de integración.
Fabricación barata.
Posibilidad de amplificación.
Inconvenientes:
Necesidad de una fuente de alimentación, normalmente
simétrica.
Limitación de la tensión de salida a la tensión de saturación de
los operacionales.
Limitación de uso a frecuencias por debajo de la de corte del
amplificador (Aplicaciones de Audio).
2 Filtros activos
Un filtro activo es un circuito que contiene amplificadores operacionales.
Normalmente un filtro de segundo orden contiene un amplificador operacional y
un circuito RC.
Figura 11.Filtro con realimentación negativa.
58
Figura 12. Filtro con realimentación positiva
Topología con realimentación negativa.
59
Se tiene para la realimentación negativa (figura11)
V1 = Vn V2 = Vi V3 = Vo
Sí se toma el modelo ideal del amplificador, esto es, Vn=Vp=0, resulta la
función de transferencia del circuito:
Tanto la función de transferencia F T como B T están asociadas al circuito RC,
es decir, tienen los mismos polos. Lo anterior expresa la función de
transferencia en la forma:
De acuerdo con el resultado anterior se puede afirmar que los ceros de la
función de transferencia son los ceros de F T mientras que los polos son los
ceros de B T.
Topología con realimentación positiva
Se tiene para la realimentación positiva. (Figura 12 página 38)
V1 = Vp V2 = Vi V3 = Vo
Sí se toma el modelo ideal del amplificador, estoe es, Vn = Vp = V0/k, resulta
la función de transferencia del circuito:
60
Teniendo en cuenta lo planteado para la otra topología, resulta:
De acuerdo con el resultado anterior se puede afirmar que los ceros de la
función de transferencia son los ceros de F T mientras que los polos son las
raíces del polinomio:
Cualquiera que sea la topología la función de transferencia es una función
bicuadrática de la forma:
Como se puede ver, la función bicuadrática presenta dos polos y dos ceros, de
cuya ubicación depende el tipo de filtro.
3 Filtros pasivos
Los filtros pasivos son aquéllos formados por combinaciones serie o paralelo
de elementos R, L Y C. (figura 13) Estos son utilizados para aplicaciones que
no requieran de una gran exactitud en el filtrado de los mismos.
Figura 13.Filtro pasivo
61
Una señal periódica de periodo T puede expresarse como una sumatoria de
sinusoides de frecuencias , conocida como serie de Fourier
de la función, así:
La frecuencia fundamental de la señal está dada por . Los demás
términos de la serie son los armónicos de la señal. La convergencia de la serie
exige que la amplitud de los armónicos sea cada vez menor, esto es .
El ángulo es la fase del armónico enésimo.
62
Usualmente, se escribe la serie de Fourier de una función en su forma
compleja, así:
Donde n c es un número complejo que tiene magnitud y fase, así
Los coeficientes complejos de la serie se determinan con la siguiente fórmula:
Cuando la señal no es periódica, en lugar de una serie, tendrá una integral de
Fourier, así:
F (ω) es un número complejo y recibe el nombre de transformada de Fourier de
la función.
Como todo número complejo, se puede expresar mediante su magnitud y su
fase, así:
F (ω) = f (ω) e jφ (ω). La transformada de Fourier de la función se determina
mediante la siguiente fórmula:
La representación gráfica de la magnitud de F (ω) en función de la frecuencia
ω, recibe el nombre de espectro de magnitud de la función. De otro lado, la
gráfica de la fase recibe el nombre de espectro de fase de la señal.
A manera de información, la transformada de Fourier de la función impulso es
la unidad y, en consecuencia, el espectro de magnitud es constante e igual a la
63
unidad. Lo anterior significa que la señal impulso contiene todas sus
frecuencias con la misma magnitud.
Un filtro es un sistema pasivo o activo que deja pasar cierta banda de
frecuencias de la señal de entrada. Teniendo en cuenta la analogía entre la
transformada de Laplace y la de Fourier, se puede pasar de un dominio al otro
haciendo s = jω.
4 Filtros pasa banda.
Este filtro es útil para cuando se quiere sintonizar una señal ya sea de radio o
televisión. También se utiliza en equipos de comunicación telefónica para
separar las diferentes conversaciones que simultáneamente se transmiten
sobre el mismo medio de comunicación.
La respuesta ideal elimina todas las frecuencias desde 0Hz a la fc1, permite
pasar todas aquellas que están entre la fc1 y la fc2 y elimina todas las
frecuencias que estén por encima de la fc2. La banda pasante esta formada por
todas las frecuencias entre fc1 y fc2, lo que este por fuera de estas son la
banda eliminada. Un filtro pasa banda ideal, la atenuación en la banda pasante
es 0, y la atenuación es infinita en la banda eliminada.
Butterworth permite realizar filtros pasa banda (figura 14) lo único que se tiene
que hacer es colocar en serie un filtro pasa alto seguido de un filtro pasa bajo,
cada filtro se calcula como si fuera un filtro individual.
Figura 14.Filtro pasa banda
64
La respuesta ideal elimina todas las frecuencias desde cero a la frecuencia de
corte inferior, permite pasar todas aquellas que están entre la frecuencia de
corte inferior y la frecuencia de corte superior y elimina todas las frecuencias
por encima de la frecuencia de corte superior.
En estos filtros, la banda pasante la forman todas las frecuencias que están
entre la frecuencia inferior de corte y la frecuencia superior de corte. Las
frecuencias por debajo de la frecuencia inferior de corte y por encima de la
frecuencia superior de corte son la banda eliminada. En un filtro pasa banda
ideal, la atenuación en la banda pasante es cero, la atenuación es infinita en la
banda eliminada y las dos transiciones son verticales.
El ancho de banda (BW; bandwidth) de un filtro pasa banda es la diferencia
entre las frecuencias superior e inferior de corte (Figura 15):
Bw = f2 - f1
Figura 15.Respuesta ideal de un filtro pasa banda
65
Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_activo
La frecuencia central se representa por f0 y viene dada por la media geométrica
de las dos frecuencias de corte.
El factor de calidad Q de un filtro pasa banda, se define como la frecuencia
central dividida entre el ancho de banda:
Cuando Q es mayor que 10, la frecuencia central es aproximadamente la media
aritmética de las frecuencias de corte:
Si Q es menor que 1, el filtro pasa banda se llama filtro de banda estrecha. Si
Q es mayor que 1, se le denomina filtro de banda ancha.
Respuesta En Frecuencia del circuito pasa altos (Diagrama De Bode)
(figura 16, página 45)
Se le conoce como AVM a la ganancia en voltaje en la banda media de un filtro
pasa banda
Figura 16.Respuesta en frecuencia de un filtro pasa altos.
66
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_activo
Donde AVM es la Amplitud Máxima de Voltaje, fL es la frecuencia de corte
inferior y fH es la frecuencia de corte superior.
Filtro R-C pasa banda (Elementos Pasivos).
Figura 17. Filtro RC pasa bandas pasivo
El filtro formado por R1 y C1 es un circuito pasa altas, mientras que el filtro
formado por el paralelo de R2 y C2 (figura 17), es un circuito pasa bajos, cuyo
comportamiento se muestra en la figura 19, página 46:
Figura 18. Filtro pasa bajos.
67
Al elemento S del numerador en el último miembro de la ecuación se le conoce
como cero y es igual a 20/dB, al elemento S del denominador del último
miembro de la ecuación, se le conoce como polo y es igual a -20dB.
El filtro formado por R1, C1, R2 es un circuito pasa bajos (figura 18), y su
comportamiento se ve reflejado en la figura 19.
Figura 19. Respuesta ideal de un filtro pasa bajos
Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_activo
El segundo filtro formado por R2 y C2, es un circuito pasa bajas, en altas
frecuencias (figura 20), el C1 se encuentra en corto circuito, por lo que su
comportamiento se muestra en la figura 21.
68
Figura 20. Filtro pasa bajo en altas frecuencias
T f = C2 (constante de tiempo
Frecuencia de corte superior = 20/fh
fh = Frecuencia de corte superior
Figura 21.Comportamiento del filtro pasa bajas de alta frecuencia
Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_activo
69
Análisis de filtro pasa banda
El comportamiento de un filtro pasa banda se demuestra en el diagrama de
Bode (figura 22).
Figura 22.Respuesta de un filtro pasa banda.
Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_activo
FH - FL = Ancho de banda del circuito (BW)
Atenuador Compensado En Frecuencia
Toda carga que sea alimentada con una señal variable en amplitud con
respecto del tiempo, encontrará ésta señal en dicha carga una resistencia
eléctrica propia de la carga y un efecto capacitivo, esto es aunque el circuito
físicamente no cuente con elementos de éste tipo, hasta los propios
conductores, cuando son operados con frecuencias relativamente altas,
presentarán dicho efecto capacitivo, en general se puede describir el circuito
equivalente de toda carga que es alimentada por una señal de determinada
frecuencia como se muestra en la figura 23.
70
Figura 23.Circuito pasa bajo equivalente por atenuación
Como se puede observar en el circuito equivalente, la resistencia propia de la
carga y la capacitancia forman un filtro pasa bajos, ya que a una frecuencia
determinada por el valor de la capacitancia, éste se comportará como un
circuito en corto, enviando a chasis la señal con la que se alimenta el circuito.
Para compensar este fenómeno que sucede en las cargas, se instala un
resistor en serie con la carga, esto con el fin de aumentar el ancho de banda
con el que podrá operar la carga, como se muestra en la figura 24.
Figura 24. Atenuación en la salida, al aumentar la frecuencia de carga.
71
Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_activo
Figura 25. Filtro pasa bajo con adelanto de fase.
Al instalar la resistencia en serie con la carga (figura 25), se amplió ampliado el
ancho de banda del circuito, pero esto generará un efecto de adelantar la fase
de la señal en la salida con respecto de la entrada, para evitar esta diferencia
de fase, se hace necesario compensar el circuito, consistiendo esto en la
instalación en paralelo con la resistencia en serie de un capacitor, llamado C1
(figura 26).
72
Figura 26. Filtro con condensador en paralelo evitando el desfase.
El circuito estará compensado en frecuencia si se cumple la igualdad como se
muestra en la figura 27 página 51.
Figura 27. Circuito compensado en frecuencia vs. circuito no compensado
Fuente:http://www.monografias.com/trabajos28/filtros/filtros.shtml#pasabanda
73
7 Modulación FSK
FSK (Frequency shift keying), es una modulación de frecuencia donde la señal
moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos
frecuencias diferentes (f1 y f2) próximas a la frecuencia de la señal portadora
fp.
Es similar a la modulación de frecuencia (FM), pero más sencillo, dado que la
señal moduladora es un tren de pulsos binarios que solo varía entre dos
valores de tensión discretos. (Figura 28 Página 68)
Generalmente f1 y f2 corresponden a desplazamientos de igual magnitud pero
en sentidos opuestos de la frecuencia de la señal portadora.
Figura 28.Modulación FSK.
74
Fuente: http://www.textoscientificos.com/redes/modulacion/FSK
El índice de modulación tiene gran incidencia en la señal modulada y determina
los dos tipos fundamentales de FSK (Figura 28).
1 FSK de banda reducida o banda angosta.
Si el índice de modulación es pequeño, (esto significa que la variación
de frecuencia de la señal modulada produce una diferencia de fase menor que
, se tiene modulación de frecuencia en banda angosta y su espectro de
frecuencias es similar al de ASK. La única diferencia es que en este caso, la
75
amplitud de las armónicas se ve afectada por la frecuencia (figura 29 página
53) es decir, se tiene una pequeña modulación de amplitud, superpuesta a la
FSK.
Figura 29. Respuesta banda angosta FSK
Fuente: http://www.textoscientificos.com/redes/modulacion/FSK
El ancho de banda necesario para FSK de banda angosta es igual al necesario
para ASK.
2 FSK de banda ancha
Las ventajas de FSK sobre ASK se hacen notables cuando el índice de
modulación es grande es decir .
Con esta condición se aumenta la protección contra el ruido y las
interferencias, obteniendo un comportamiento más eficiente respecto a ASK,
76
puesto que en este caso la pequeña modulación de amplitud mencionada en el
caso de FSK de banda angosta, se hace despreciable.
La desventaja es que es necesario un mayor ancho de banda, debido a la
mayor cantidad de bandas laterales (un par por cada armónica).
3 Modulador XR 2206
El modulador XR-2206 es un circuito integrado (figura 30) monolítico, capaz de
generar diferentes funciones de alta estabilidad y exactitud, como las formas de
onda sinusoidal, triangular, cuadrada, de rampa y tren de impulsos, Las formas
de onda de salida pueden ser moduladas tanto la frecuencia como la amplitud,
la frecuencia de trabajo puede ser seleccionada entre una gama de 0.01Hz y 1
MHz.
El circuito es satisfactorio para la generación de señales en modulación FSK
manteniendo la distorsión baja. Con una estructura interna especificada en la
(figura 31).
Sus especificaciones técnicas son enunciadas en la tabla 6 página 55.
Figura 30. Diagrama electrónico XR-2206
Fuente:
http://www.datasheetcatalog.n
et/es/datasheets_pdf/X/R/2/2/
XR2206.shtml
77
Tabla 6. Especificaciones técnicas XR-2206
Fuente: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/X/R/2/2/XR2206.shtml
Figura 31.Estructura interna XR-2206
78
Fuente: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/X/R/2/2/XR2206.shtml
Circuito para un modulador de frecuencia FSK.
Parámetros establecidos por el fabricante para encontrar las frecuencias de
trabajo.
79
Figura 32.Diagrama electrónico modulador de frecuencia
80
Fuente:http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/X/R/2/2/XR2206.shtml
Parámetros de diseño.
Los parámetros de diseño para la modulación FSK están establecidos por el
fabricante
81
Frecuencia.
El XR-2206 puede ser manejado con dos resistencias de
cronometraje separadas R1 y R2 unidas a los pines 7 y 8
respectivamente como se muestra en la figura 32.
Dependiendo de la polaridad de la señal lógica una de las dos
resistencias de cronometraje es activada. Si el pin 9 esta en
circuito abierto o alimentado por un voltaje de >2V, solo R1 se
activa. Igualmente si el nivel de voltaje en el pin 9 es 1V, solo
se activa R2. La frecuencia de salida puede ser operada entre
dos niveles F1 y F2 dada por la ecuación:
Control de nivel de corriente continua de salida.
El nivel de corriente continua DC de salida en el pin 2 es
aproximadamente el mismo que el pin 3. El voltaje del pin 3 se
fija con la relación que existe entre V+ y tierra para entregar
un nivel de voltaje de aproximadamente V+/2 Voltios.
Modulación FSK.
La figura 32, página 56, muestra el circuito de conexión para
que el integrado trabaje como un modulador de frecuencia
FSK. La señal y la frecuencia pueden ser ajustadas por
separados por medio de las resistencias R1 y R2.
82
4 Demodulador XR-2211
El XR-2211 (figura 33) es un demodulador monolítico de lazo cerrado diseñado
para aplicaciones en comunicación. Satisface las necesidades en la
modulación FSK. Funciona sobre una alta gama de voltaje que va de 4.5 V a
20 V y una amplia gama de frecuencia que va desde 0.01 Hz a 300 kHz.
Este demodulador puede acondicionar señales analógicas entre 10 mV y 3 V
Esto puede acomodar señales analógicas entre 10mV y 3V y puede el interfaz
con DTL convencional, TTL y familias ECL lógicas. El circuito consiste en PLL
básico para rastrear una señal de entrada dentro de la cinta de pase. Con
pines definidos en la tabla 7, página 59. Y una estructura interna figura 34,
página 59.
Figura 33. Diagrama electrónico XR-2211
Fuente: http://www.chipcatalog.com/Exar/XR2211.htm
83
Tabla 7.Especificaciones técnicas XR-2211
Fuente: http://www.chipcatalog.com/Exar/XR2211.htm
Figura 34. Estructura interna XR-2211.
84
Fuente: http://www.chipcatalog.com/Exar/XR2211.htm
Figura 35. Diagrama electrónico para demodulador frecuencia FSK
85
Fuente: http://www.chipcatalog.com/Exar/XR2211.htm
Parámetros de diseño.
Los parámetros de diseño para la modulación FSK están establecidos por el
fabricante.
a. Frecuencia fo:
b. Voltaje de referencia (mencionado en el pin 9).
c. Constante del filtro pasa-bajo.
Donde
86
Si Rf es infinito o Cf es infinito entonces Rpp = R1
d. Parámetro ς
e. Rastreo del lazo (figura36)
Amplitud de banda (bandwidth):
Figura 36. Ancho de Banda para FSK
87
f. Constante en el tiempo del filtro de datos tF (segundos)
(Segundos)
g. Ganancia del detector del conversor de fase kd: kd es el diferencial de
voltaje de corriente continua a través del pin 10 y el pin 11 por unidad de
error de fase en la entrada de detector de fase.
h. VCO conversión de ganancia ko: Ko es la cantidad de cambio de la
frecuencia VCO, por unidad de cambio de voltaje de corriente continua en el
pin 11.
i. Función de transferencia del filtro.
88
En 0 Hz
Y
j. Ganancia total kt.
k. Detector de corriente pico IA:
8 Amplificadores operacionales.
Un amplificador operacional (A.O., habitualmente llamado op-amp) es un
circuito electrónico que se presenta normalmente como un circuito integrado
que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos
entradas multiplicada por un factor de ganancia (G): Vout = G·(V+ − V−)
1 Introducción histórica.
El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era el
Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709
(1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde
sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y
fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.
89
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma,
resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras
analógicas. De ahí su nombre.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un
ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de
respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita
también se dice que las corrientes de salida son cero.
2 Notación
El símbolo de un amplificador operacional es el mostrado en la figura 37.
Figura 37. Amplificador operacional.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opamppinouts.png
Los terminales son:
V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
90
VS-: alimentación negativa
Las patillas de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en
los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en
BJT son VCC y VEE.
Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas
eléctricos por claridad.
3 Comportamiento en continua (DC)
Lazo abierto.
Si no existe realimentación la salida del A.O. será la resta de sus dos
entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de
100.000 (que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal).
Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1mV la salida
debería ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más
tensión de la que hay en la alimentación, el A.O. estará saturado si se da
este caso. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la
que corresponde a la alimentación VS+, mientras que si la tensión más alta
es la de la patilla - la salida será la alimentación VS-.
Lazo cerrado.
Se conoce como lazo a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá
realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta
configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente
iguales, se supone que la tensión en la patilla (+) sube y, por tanto, la
tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre
la salida y la patilla (-), la tensión en esta patilla también se eleva, por tanto
91
la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la
salida. Este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la
necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.
Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos
aproximaciones para analizar el circuito:
V+ = V-
I+ = I- = 0
Configuraciones
Comparador
En la figura 38 se observa una aplicación sin la realimentación. Compara entre
las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se
puede usar para adaptar niveles lógicos.
Figura 38. Comparador
Seguidor.
92
Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar
impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja
impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es
igual: Vout = Vin , Zin = ∞ Como se observa en la figura 39
Figura 39. Seguidor.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opamppinouts.png
Figura 40 Inversor.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opamppinouts.png
El análisis de este circuito inversor (figura 40) es el siguiente:
V+ = V- = 0
93
Definiendo corrientes: y de aquí se despeja
Para el resto de circuitos el análisis es similar.
Zin = Rin
Por lo cual se puede controlar la impedancia de entrada mediante la elección
de R1
Figura 41. No inversor.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opampnoninverting.png
El análisis para el circuito no inversor (figura 41) es el siguiente.
94
Zin = ∞
Figura 42. Sumador.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opampnoninverting.png
Para el sumador (figura 42) la salida está invertida
Para resistencias independientes R1, R2,... Rn
La expresión se simplifica mucho si se usan resistencias del mismo valor
Impedancias de entrada: Zn = Rn
Figura 43. Restador.
95
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opampnoninverting.png
Para resistencias independientes R1, R2, R3, R4: en el circuito restador (figura
43)
Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales
La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2
Para el amplificador hay que utilizar resistencias de 1/2 W
Caso R1 = R3 e R2 = R4, el amplificador realizará la siguiente operación
Vout = (V2 - V1) * G entonces, G = R1 / R3 ou R2 / R4
Figura 44. Integrador.
96
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opampnoninverting.png
Para el integrador (figura 44)
Se integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del
tiempo)
Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos (t = 0)
Este circuito también se usa como filtro
NOTA: En la práctica se realizan modificaciones a este circuito porque no es
estable.
Figura 45. Derivador.
97
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Opampnoninverting.png
(Figura 45) Deriva e invierte la señal respecto al tiempo
Este circuito también se usa como filtro
NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable.
4 Aplicaciones.
Calculadoras analógicas
Filtros
Preamplificadores y buffers de audio y video
Reguladores
Conversores
Evitar el efecto de carga
Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)
98
5 Estructura.
Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características
ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se
podrá entender mejor las limitaciones que presenta.
Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O.
tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:
1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una
baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener
una salida diferencial.
2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.
3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la
corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente,
protección frente a cortocircuitos.
6 Amplificador operacional TL072
Amplificador operacional de bajo ruido dual J-FET de alta velocidad
incorporado en un circuito integrado monolítico. Mostrado en la figura 46. Junto
con su estructura interna (Figura 47).
Figura 46 Diagrama electrónico TL072.
99
Fuente:http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/T/L/0/7/TL072.shtml
Figura 47 Diagrama de la estructura interna TL072.
Fuente: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/T/L/0/7/TL072.shtml
100
2.2.9 El modelo de la red eléctrica en Colombia
El sistema de potencia de energía eléctrica en Colombia tiene cuatro
componentes principales:
Generación, líneas de transmisión, las subestaciones o estaciones
transformadoras y el sistema de distribución de media y baja tensión; estos
últimos son los de mayor interés para soluciones de PLC por ser los utilizados
en las instalaciones eléctricas para interiores.
Los circuitos primarios (MV) de distribución urbana son trifásicos trifilares, con
neutro puesto a tierra en la subcentral, y con una tensión y frecuencia nominal
para Bogotá de 11.4 kV y 60 Hz, respectivamente. Para otras zonas del país y
para circuitos rurales, los parámetros mencionados son de 13.2 kV, 60 Hz.
También existen circuitos primarios a 34.5 kV que se utilizan en zonas
industriales dentro del área urbana, que distribuyen energía eléctrica desde una
subcentral o, en algunas ocasiones, uniendo dos subcentrales por medio de
circuitos dobles desde los cuales se derivan las acometidas a los diferentes
usuarios industriales. Los circuitos secundarios o de LV son trifásicos
tetrafilares, conectados en estrella con neutro puesto a tierra en los
transformadores cada tercer poste y en los terminales de circuito. Los voltajes
de suministro son los siguientes: monofásicos bifilar a 120 voltios + 5%
mediante acometida de dos conductores conectados a fase y neutro;
monofásicos trifilar a 110/120 voltios + 5%, 120/240 voltios + 5% o tomado de
un sistema trifásico a 208/120 voltios + 5%; trifásico a 120/208 voltios + 5%
mediante acometida de cuatro conductores conectados a las tres fases y al
neutro. Los circuitos LV pueden alimentar a cada uno de los usuarios con una
acometida individual que puede ser aérea o subterránea, o puede ir a un
barraje situado en un tablero desde donde salen acometidas para cada usuario.
En el caso del proyecto desarrollado se tiene un tablero general desde donde
101
parten los conductores eléctricos hasta un bastidor desde el cual se distribuye
hacia las tomas e interruptores.
Figura 48 Redes de distribución colombianas
2.2.9.1 Aspectos técnicos relacionados con la transmisión de datos a
través de la red eléctrica domiciliaria
Anchos de Banda
El tendido eléctrico domiciliario esta constituido por pares de cobre que tienen
capacidad en ancho de banda para guiar señales eléctricas desde el nivel DC
hasta 300000 Hz. Esta característica de la red eléctrica limita la transmisión de
datos a velocidades bajas y medias, y de cierto tipo de información
(únicamente Voz, Datos).
Interferencias entre la señal de 60 Hz y los datos.
102
La señal eléctrica de 60 Hz, en la red eléctrica domiciliaria, puede estar
distorsionada y causar interferencia a los datos. Las causas de la distorsión
armónica6 son la presencia de cargas no lineales en el hogar y/o la
contaminación de la señal procedente del suministro eléctrico debido a la
industria (Rectificadores, inversores, convertidores de frecuencia y ciclo
convertidores).
Modos de transmisión
El sistema electrónico de comunicación a través de la red eléctrica domiciliaria
se puede diseñar para transmitir los datos en una dirección:
Modo Simplex; en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo: Modo Half
Dúplex; en ambas direcciones y al mismo tiempo: Modo Full Dúplex.
Transmisión asíncrona
En este tipo de transmisión se agregan dos elementos de señal por cada
palabra de código:
Un espacio de arranque ó Start y una marca de terminación ó Stop. Para enviar
un dato se inicia la secuencia de temporización en el dispositivo receptor con el
elemento de señal y al final se marca su terminación.
Efectos secundarios de la conexión de cargas:
En el momento de conectar un electrodoméstico a la red eléctrica, se genera
gran cantidad de armónicos que llegan hasta una frecuencia de 1250 Hz. La
puesta en marcha de una licuadora genera muchos armónicos, mientras que el
103
bajo consumo de potencia del motor de una batidora no induce niveles de ruido
considerables a la red eléctrica.
Caracterización de la Línea de Transmisión
Las características de una línea de transmisión están determinadas por sus
propiedades eléctricas y de sus propiedades físicas. En la red eléctrica
domiciliaria se encuentra una línea de transmisión con las siguientes
especificaciones:
Línea Bifilar, Conductor de cobre, Tamaño nominal del conductor: 12 (calibre
12), Diámetro del cobre desnudo: 2.03mm., Conductores recubiertos con
caucho (material plástico que se obtiene por polimerización del etileno, es decir
polietileno) y separación entre centros de 1 cm.
Las propiedades eléctricas y físicas de una línea de transmisión determinan las
constantes eléctricas primarias y las constantes secundarias.
Constantes eléctricas primarias:
Se distribuyen uniformemente en toda la línea y son: R (resistencia de corriente
directa en serie), L (inductancia en serie), C (capacitancia en paralelo) y G
(conductancia en paralelo)
Cálculo de las constantes eléctricas primarias:
Los parámetros R, L, C y G, por unidad de longitud, se encuentran a partir de la
permitividad conductividad del dieléctrico y del conductor.
104
2. METODOLOGÍA
1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque de la investigación es empírico – analítico, debido a la investigación
e implementación de una tecnología.
2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD /
CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA
Tecnologías actuales y sociedad
1 Sub-Líneas de la facultad
Procesamiento de señales
Instrumentación y control de procesos
Sistemas de información y comunicación
2 Campos de investigación
Diseño instrumentación y control de procesos
Análisis de señales
Comunicaciones
Procesamiento de señales
3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
105
Por la necesidad de desarrollar este proyecto se hizo necesario establecer un
acercamiento con especialista en el tema del sistema PLC por medio de
conferencias a través de la Internet, se contactaron empresas privadas que
utilizan este sistema para la transmisión de datos en países desarrollados
especialmente en España debido a la facilidad del idioma como Iberdrola
http://www.iberdrola.es/ovc/plc/index.html y Endesa http://www.endesa.es.
Consulta de revistas y diarios de México “La Crónica”
http://www.lacronica.com/edicionenlinea/notas/noticias/20031102/50119.asp
Para la etapa de prueba se recolecto información a través de los laboratorios
de la universidad de San buenaventura por medio de instrumentos como
multímetro y osciloscopio, también con la ayuda de sistemas de simulación
como Workbench, Orcad y Circuit Maker.
4 HIPÓTESIS
El sistema a diseñar e implementar estará en capacidad de tomar la
información del consumo eléctrico, en un momento dado, del contador eléctrico
domiciliario y transmitir tal información, junto con la identificación del mismo, a
un punto remoto donde se requiere dicha información.
5 VARIABLES
1 Variables Independientes
Características de las señales eléctricas
Características técnicas de los medidores de consumo eléctrico domiciliario
Características técnicas de las líneas de energía eléctrica
106
2 Variables Dependientes
Características estructurales y funcionales de los diferentes dispositivos que
constituyen el sistema.
107
3. DESARROLLO INGENIERIL
En la figura 49 se modela etapa por etapa el desarrollo del sistema.
Figura 49.Diagrama de bloques.
108
1 PARÀMETROS A EVALUAR
Para el diseño del sistema se tuvo en cuenta el consumo de energía eléctrica
tomado por un medidor convencional existente en el mercado, luego de
conocer el consumo se resolvió hacer un estudio de la red eléctrica
convencional en Colombia para conocer los parámetros presentes en esta.
Una vez conocidos los parámetros se encauzó una solución de diseño la más
viable y adecuada para el envío de los datos a trasmitir mediante la red
eléctrica; los puntos a estudio fueron los siguientes:
Captura de datos provenientes del medidor.
Ajuste de la señal para el envió de los datos.
Filtrado de la señal.
Acople a la red eléctrica.
Ajuste de la señal enviada para la recepción de los datos.
Recepción de los datos.
Visualización de los datos.
Alimentación del sistema.
2. Emisor.
Este circuito es el encargado de enviar el dato a transmitir a través de la redeléctrica, su configuración se puede apreciar en la figura 50.
Figura 50. Circuito emisor del sistema.
109
1 Toma de datos provenientes del medidor.
El medidor eléctrico proporciona un pulso de voltaje mediante el cual se realiza
la mediación en kilovatios del consumo realizado.
El microcontrolador seleccionado para el control es un PIC16F877 de
Microchip. Las principales ventajas de él son la posibilidad de grabarlo a través
de un puerto de PC y la cantidad de pines de entrada / salida de que dispone.
Consta de 8k de memoria de programa, 256 bytes de EEPROM y 368 bytes de
RAM.
Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello.
Amplia memoria para datos y programa.
110
Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina
FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente.
Set de instrucciones reducido (tipo RISC), pero con las instrucciones
necesarias para facilitar su manejo.
Se realizó un programa (MPLAB) encargado de tomar los datos provenientes
del medidor.
Los datos tomados son modificados a un código binario para facilitar la toma de
los mismos al ser transmitidos (figura 51) a la siguiente etapa del sistema
(etapa de modulación).
Existen dos datos necesarios para el entendimiento de consumo realizado por
el medidor que son el consumo y la identificación de medidor, para la
comunicación del emisor es necesario dividir esta información en tramos, el
PIC toma la información, ya sea el código impreso en el medidor introducido
mediante el lenguaje de programación directamente o la información
recolectada por los pulsos eléctricos enviados por el medidor, y la fracciona por
pares, cada par forma parte de un paquete y va acompañado de un bit de
arranque que le indica al receptor que se prepare para la recepción de los
datos y un bit de parada que le indica al receptor que el paquete ha finalizado.
Figura 51. Entrega de información a transmitir.
111
CÓDIGO DE TRANSMISIÓN
112
El dato a transmitir es tomado desde el medidor mediante la captura de los
impulsos emitidos por el mismo;************************************************;PROGRAMA DE TX;**********************************************
list P=16F877A #INCLUDE "P16F877A.INC" #DEFINE BANCO0 BCF STATUS,RP0 #DEFINE BANCO1 BSF STATUS,RP0
;*********************************************************;DECLARACION DE VARIABLES;********************************************************VALOR EQU 20HPDel0 EQU 21HPDel1 EQU 22HUNIDADES EQU 23HDECENAS EQU 24HCENTENAS EQU 25HVAR1 EQU 26H;********************************************************;CONFIGURACION DE PUERTOS;******************************************************** BANCO1 CLRF TRISA ;PORTB= OUT CLRF TRISC ;COMO SALIDA PARA USART MOVLW 0FFH MOVWF TRISB BANCO0 CLRF UNIDADES CLRF DECENAS CLRF CENTENAS CLRF VAR1 CALL CONF_USART
INICIO BTFSS PORTB,7 GOTO INICIOWT BTFSC PORTB,7 GOTO WT INCF VAR1,1 MOVLW 08H XORWF VAR1,0 BTFSS STATUS,Z GOTO INICIO CALL CONSUMO CALL DEMORA MOVLW 18H MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA MOVLW 13H MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA
113
MOVLW 01H MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA MOVLW 60H MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA MOVF UNIDADES,0 MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA MOVF DECENAS,0 MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA MOVF CENTENAS,0 MOVWF VALOR CALL TXCARC CALL DEMORA CLRF VAR1 GOTO INICIO
CONF_USART BANCO1 MOVLW B'00100100' ;CONFIGURACION DE TRANSMISION MOVWF TXSTA ;-B7=XX EN ASINCRONO -B6=1 9BITS A TX-B5=1 ENABLE TX -B4=0ASINCRONO -B3=XX -B2=1 ALTA VELOCIDAD -B1=0 ES EL TRS(REGISTRO DE DESPLAZAMIENTODE TRANSMISION) 1= VACIO 0= LLENO -B0=0 9º BIT DE DATOS MOVLW d'25' ;PARA UNA TX DE 9600kbps Y UN XT DE 4MHZ MOVWF SPBRG CLRF PORTC ;PORTC DE SALIDA BSF PORTC,7 ;ESTE BIT ES RX BANCO0 MOVLW B'10000000' ;PARA CONFIGURAR RECEPCION MOVWF RCSTA ;-B7=1 HABILITA EL USART -B6=1 9BITS DE RX-B5=XX EN ASINCRONO-B4=1 RX CONTINUA -B3=XX -B2=0 SIN ERROR EN TRAMA -B1=0 NO DESBORDE -B0=XX RXDEL 9º BIT
RETURN
TXCARC BANCO1ESTX BTFSS TXSTA,TRMT ;REVISA SI EL TX ESTA DISPONIBLE GOTO ESTX BANCO0 MOVF VALOR,W MOVWF TXREG RETURN
DEMORA movlw .220;.239 ; 1 set numero de repeticion (B) movwf PDel0 ; 1 |PLoop1 movlw .1;.232 ; 1 set numero de repeticion (A) movwf PDel1 ; 1 |PLoop2 clrwdt ; 1 clear watchdogPDelL1 goto PDelL2 ; 2 ciclos delay
114
PDelL2 goto PDelL3 ; 2 ciclos delayPDelL3 clrwdt ; 1 ciclo delay decfsz PDel1, 1 ; 1 + (1) es el tiempo 0 ? (A) goto PLoop2 ; 2 no, loop decfsz PDel0, 1 ; 1 + (1) es el tiempo 0 ? (B) goto PLoop1 ; 2 no, loopPDelL4 goto PDelL5 ; 2 ciclos delayPDelL5 goto PDelL6 ; 2 ciclos delayPDelL6 goto PDelL7 ; 2 ciclos delayPDelL7 clrwdt ; 1 ciclo delay return ; 2+2 Fin.
CONSUMO INCF UNIDADES MOVLW 0AH XORWF UNIDADES,W BTFSC STATUS,Z GOTO MAY1 RETURNMAY1 INCF DECENAS CLRF UNIDADES MOVLW 0AH XORWF DECENAS,W BTFSS STATUS,Z RETURN CLRF DECENAS INCF CENTENAS RETURN END
2 Modulación
Figura 52 Estructura interna XR 2206
115
Fuente:http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/X/R/2/2/XR2206.shtml
Para que una señal sea transmitida eficientemente es necesario contar con
algún tipo de modulación, ya sea una señal analógica o una señal digital.
El sistema digital ofrece múltiples ventajas respecto a uno analógico, como por
ejemplo mayor inmunidad al ruido, menor consumo de energía eléctrica y
menor costo.
Este sistema digital de comunicación, ofrece una mayor capacidad para
transportar grandes cantidades de información respecto a los métodos de
modulación analógica.
En el desarrollo de este sistema se implementó un sistema de modulación FSK
ya que se envía un número “n” de señales, cada una con frecuencias distintas,
116
es importante señalar que la modulación FSK no presenta componentes I o Q,
puesto que la característica que varía en la señal es su frecuencia. Un "0"
lógico en el esquema de modulación binaria FSK será representado por s 1 (t)
= cos (w 1 t) y un "1" lógico por s 2 (t) = cos (w 2 t).
Se seleccionó trabajar con este tipo de modulación ya que se hace más fácil el
envió de los datos diferenciándolos tan solo por el uso de frecuencias en este
caso f1 representa un 0 lógico y es igual a 80kHz, f2 representa el 1 lógico y es
igual a 100kHz.
Esta modulación se lleva a cabo mediante la utilización del circuito integrado
XR 2206.
Los parámetros tenidos en cuenta para la selección de las frecuencias de
modulación para la transmisión de datos se basan en los ruidos presente en la
red eléctrica y los diferentes factores que pueden afectarla. En la figura 53 se
puede apreciar las diferentes señales que pueden contaminar la señal
modulada:
Figura 53. Señales que pueden afectar los datos modulados
117
Fuente:
http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003OCT/PDF/2003OCT03_RFD_CT_POW_AN.PDF?SOURCES
Se hace notable que el rango de trabajo escogido es el apropiado para este
tipo de transmisión debido a que en este rango de frecuencias se evitaría
muchas frecuencias que afectarían la transmisión de los datos.
XR2206
Debido a que el modulador XR-2206 es in circuito integrado monolítico con las
siguientes características:
Baja distorsión en las formas de onda sinusoidales.
Excelente comportamiento frente a los cambios de temperatura.
Amplitud modulada lineal.
Compatible con el sistema de modulación FSK
Trabaja con una fuente de voltaje de 10V a 26.
Ciclo de trabajo ajustable, 1% a 99%
118
Es el elemento ideal para este tipo de propósito.
Los parámetros de diseño para generar un tipo de modulación FSK son
entregadas por el fabricante, con base en la figura 52 página 87.
Teniendo en cuenta este diseño entregado por el fabricante se puede modificar
la frecuencia mediante las resistencias R1 y R2 que permite el afianzamiento de
la señal para garantizar la adecuada transmisión de datos y la velocidad, ya
que se escogió un rango de frecuencias entre 80 kHz y 100 kHz, se puede
afirmar que el modulador XR-2206 garantiza la modulación de la señal a estas
frecuencias debido a que es capaz de modular frecuencias entre 0.01 Hz y 100
kHz.
En la figura 52 se muestra la configuración adecuada del XR-2206 para que
trabaje como un modulador de frecuencias FSK donde la amplitud está dada
por el potenciómetro R3 del pin 3. Las dos frecuencias en que oscila el sistema
están dadas por R1 y R2 de los pines 7 y 8 respectivamente y del condensador
C.
Donde ,
Las frecuencias son asumidas debido a la variación de los potenciómetros R1 y
R2 para obtener una transmisión y recepción óptima
Entonces
119
Con los parámetros de diseño establecidos se genera las siguientes formas deonda:
Para una frecuencia de 80 Khz. el modulador XR 2206 genera una señalsinusoidal como se muestra en la figura 54
Figura 54. Señal modulada a una frecuencia de 80 kHz.
120
Se comprueba que la señal modulada se encuentre en la frecuencia deseada.
Para una frecuencia de 100 Khz. el modulador XR 2206 genera una señalsinusoidal como se muestra en la figura 55
Figura 55. Señal modulada a una frecuencia de 100 kHz.
121
S ecompru e b a q u el a seña lmodulada seencuentre en l afrecuen c i adeseada.
La diferencia entre las frecuencias calculadas y las simuladas se atribuyen aerrores de apreciación en las señales simuladas pero claramente se observauna aproximación
En las figuras 56 y 57 se observa la señal generada por el osciloscopio en lasalida del modulador.
Figura 56. Respuesta del circuito modulador /80 kHz.
122
Escala:
Se aprecian 6.2 divisiones en el ciclo completo de la señal modulada
Figura 57. Respuesta del circuito modulador / 100kHz.
Escala:
Se aprecian 5 divisiones en el ciclo completo de la señal modulada
123
Igualmente que en la simulación, la diferencia entre lasfrecuencias calculadas y las que se observan en el
osciloscopio se atribuyen a errores de apreciación en las señales simuladaspero claramente se observa una aproximación.
3 Acople del modulador a la red.
La señal modulada que proviene del circuito integrado XR2206 requiere ser
manipulada para poder ser transmitida a través de la red eléctrica puesto que
las características propias de ella no permiten la transferencia de datos de una
manera confiable, esto se debe a que existen factores que afectan la señal
como ruidos, impedancias, caída de voltaje y de corriente, además, se hace
necesario un sistema de acople a la red para evitar que esta afecte el sistema
modulador.
1 Etapa de amplificación.
En esta etapa se busca darle un realce a la señal modulada por medio de un
amplificador operacional lineal configurado como inversor (figura 52). Para ello
se seleccionó el amplificador TL072 debido a que es un amplificador
operacional de uso general de bajo ruido, cuyas características satisfacen las
necesidades del sistema, la baja distorsión en los armónicos y el bajo ruido que
presenta hacen del TL072 una opción ideal en la transmisión de datos por
medio de la modularon FSK además de su comportamiento en alta impedancia
(figura 46).
Debido a que este integrado (TL072) cuenta con dos amplificadores
incorporados facilita el diseño electrónico
124
Parámetros de diseño.
Para darle un realce óptimo a la señal se seleccionó una ganancia significativa.
G = 2.2.
Dada por la ecuación
Se asume R1.
R1=1 k
Figura 58. Diseño de inversor en etapa de amplificación
Simulación.
Comportamiento simulado en la etapa de amplificación (figura 59)
125
Figura 59. Simulación salida del modulador
Figura 60. Simulación salida del inversor en etapa de amplificación
Figura 61. Respuesta del circuito en la entrada y salida del amplificador.
126
Arriba se observa la señal a la entrada del amplificador y abajo se observa lasalida del amplificador.
Escala: 0.5 V/Div
2 Etapa de acople de impedancias.
En esta etapa se realizó un acople para un incremento de impedancia,
buscando un manejo adecuado de la corriente. (Figura 54)
Seguidor emisor
Para que el modulador no entregue mucha corriente a la etapa de acople, (y
así cargarlo) es necesario añadirle un amplificador seguidor emisor (Figura 62)
Figura 62. Seguidor emisor
127
Que aunque tiene una ganancia la impedancia de entrada y de salida de
este circuito equivale a:
Siendo las impedancias de entrada y de salida del amplificador
operacional.
Para el TL072 la ganancia máxima que puede entregar el amplificador está
dada por:
Resistencia de entrada
Resistencia de salida
.
Aplicando las anteriores relaciones, se obtienen las impedancias de entrada y
salida del seguidor equivalen a:
Impedancia de entrada
Impedancia de salida
128
Al analizar los resultados se demuestra que la impedancia de entrada es lo
suficientemente alta para que le de paso a la señal que ha sido amplificada.
En el seguidor emisor la ganancia no es alterada y el voltaje de entrada es
igual al voltaje de salida.
Figura 63. Diseño etapa de acople
Este diseño consta de un seguidor emisor y un amplificador clase A.
Figura 64. Diseño seguidor emisor
129
Figura 65. Simulación a la salida de la etapa de acople de impedancias
Amplificador clase A.
130
Se selecciono un amplificador clase a porque se obliga al transistor a manejar la señal
completa, esto es con el objeto de manejar una señal los más lineal posible.
Figura 66. Amplificador clase A
El funcionamiento del transistor de clase A (figura 63) se lleva a cabo, dentro
de la región de corte, comprendida después de la región activa del dispositivo,
sin llegar a salirse de ella en ningún momento. El punto de trabajo de reposo
(S0) se fija en el punto medio entre los puntos de corte (SC) y saturación (SS)
de la recta de carga (r). (Figura64)
Figura 67. Funcionamiento transistor clase A.
131
Figura 68.Región activa transistor clase A
Fuente: http://www.unicrom.com/Tel_AmplificadoresClaseA2.asp
Se caracteriza por presentar una corriente continua media de colector
constante que aunque no es muy grande; es necesario que salga por emisor
ya que al salir por colector da paso a que la carga del filtro siguiente y la carga
de la red se consuman toda la señal de información que es necesaria
mantener. El dispositivo activo se comporta como una fuente de corriente.
132
La ganancia es un punto fuerte de este transistor en clase A. Es de 3 a 6 dB.
Dado que no puede apurar al máximo, queda alrededor del 25% de exigencia
de linealidad. Aparte de ello, este permitió trabajar lo más cerca posible a los
límites de frecuencia del transistor. Ya que por este medio se llevó la
información.
Para calcular el factor de utilización, se analizó por Teorema de Thévenin
Obteniendo un circuito
Por leyes de Kirchoff:
Siendo y β=160
133
En la malla externa:
En saturación
Aparte de ser inherentemente lineal, la disminución de la señal de salida
conlleva a mejorar las distorsiones no lineales de manera monótona.
La tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal hacen que la
corriente de salida circule durante todo el periodo necesario y devuelva la señal
limpia. Su ventaja es que es casi lineal, y por tanto la distorsión es mínima.
En el caso teórico de 50% de rendimiento, la eficacia instantánea es
proporcional a la potencia de salida y la eficacia media es inversamente
proporcional a la relación de potencia pico a potencia media. Y se encuentra la
simulación en la figura65.
134
Figura 69. Señal de salida del acople de impedancias.
Figura 70. Respuesta a la salida del circuito de acople de impedancias.
135
3 Etapa de filtrado.
Analizado el comportamiento que el amplificador clase A presentó; se vio la
necesidad de anexar un filtro pasa bajo que va a suprimir el ruido de
conmutación, sin embargo añadía distorsión y desplazamiento de fase por lo
que se cambió a un filtro pasa bandas (figura 67) teniendo en cuenta que la
frecuencia de conmutación es mayor a los 40KHz sin causar pérdida de
potencia, desplazamiento de fase o distorsión. Obteniendo así una supresión
adecuada de armónicos en la salida y adaptación óptima del circuito.
Figura 71. Diseño filtro pasa banda
Función de transferencia filtro pasa banda
136
Parámetros de diseño.
Para las frecuencias en que se quiere trabajar el ancho de banda equivale a
El factor de calidad del filtro es de
Como el factor de calidad es menor a 10 entonces los elementos a utilizar son
137
La inductancia se asume y es encontrada por el valor de 12mH por tanto
Para hallar la capacitancia faltante
4 Etapa de acople directo a la red
El transformador tendrá la tarea de garantizar que las cargas de la red eléctrica
no afecten el sistema de modulación y acople del proyecto. Se utilizó un
transformador 1:20 para realzar la señal y así garantizar ser enviada por la
red.
138
5 Etapa final de filtrado
Debido a que la tensión en la red es altamente perjudicial para el circuito de
transmisión se debe aislar del mismo, para esto se utilizó un filtro pasa banda,
que además de suprimir la señal de la red 120V/60Hz, filtra señales ajenas a la
señal a transmitir. (Figura 68).
Figura 72. Etapa de filtrado de la red
Función de transferencia filtro
Figura 73 Simulación Filtro
139
Una vez realizados todos los cálculos se procede a realizar la medición
correspondiente (figura 69)
Figura 74.Respuesta del filtro acoplado a la red
140
En la figura 74 se puede apreciar como se ve afectada la señal transmitida
debido a los ruidos presentes en la red eléctrica.
141
2 Receptor.
Este circuito es el encargado de recibir el dato transmitido por la red eléctrica y
remodularlo para luego visualizarlo en una pantalla LCD. (Figura 75)
Figura 75. Receptor
1 Acople del demodulador a la red.
142
La señal modulada que se encuentra en la red se ve afectada por factores
externos que pueden contaminarla, además existen pérdidas en la red que se
deben tener en cuenta por ello es necesario filtrar la señal para suprimir tanto
la señal de la red como los diferente ruidos que puedan afectar la señal
modulada, acoplar el sistema debido a que la red eléctrica conectada en directo
afectaría gravemente el sistema, filtrar nuevamente la señal para poder
recibirla lo más limpia posible, darle un realce a la señal por medio de un
seguidor de corriente y amplificadores lineal para finalmente filtrar la señal por
medio de filtros con topología RAUCH que además de filtrar la señal se
encargan de darle un realce a la misma.
1 Filtro pasa altas pasivo
Figura 76 Filtro pasa alta pasivo.
Este es un filtro pasivo Linkwitz-Riley de segundo orden y se caracteriza por su
configuración.
Figura 77. Filtro Linkwitz-Riley
143
Los valores de los componentes capacitivos e inductivos se pueden hallar
utilizando la herramienta de cálculo de filtros pasivos que se encuentra en el
siguiente link:
http://www.pcpaudio.com/pcpfiles/doc_altavoces/filtros_pasivos/filtrospasivos.html
Esta herramienta nos facilita el proceso para la elaboración de este tipo de
filtros siguiendo los siguientes pasos:
144
Escoger el tipo de filtro:
Para este caso se escogió el filtro tipo Linkwitz-Riley
Escoger la frecuencia de corte del filtro:
145
Para este caso se escogió como frecuencia de corte 80 kHz.
Escoger la resistencia:
Se hace clic en la opción de calcular:
146
Los componentes aparecen como se muestra en la figura:
Función de transferencia filtro pasa altas pasivo
Análisis por mallas
147
148
Figura 78 Respuesta del filtro pasa alta pasivo.
149
2 Seguidor.
Figura 79 Circuito seguidor.
150
Los parámetros de diseño del seguidor del receptor son equivalentes a los del
seguidor del emisor. Debido a que deben cumplir con las mismas
características
3 Amplificador.
Figura 80 Circuito amplificador.
Los parámetros de diseño del seguidor del receptor son equivalentes a los del
seguidor del emisor. Debido a que deben cumplir con las mismas
características
Función De Transferencia Amplificador
151
4 Filtros Rauch.
TOPOLOGÍA RAUCH
Tablas de coeficientes para filtros tipo rauch (tabla 8, página 118) junto con los
coeficientes para tener en cuenta en su selección (Tabla 9, página 119)
Tabla 8.Tablas rangos filtros Rauch
Fuente:http://www.ulpgc.es/hege/almacen/download/29/29861/filtros.pdf
152
Fuente:http://www.ulpgc.es/hege/almacen/download/29/29861/filtros.pdf
153
Fuente:http://www.ulpgc.es/hege/almacen/download/29/29861/filtros.pdf
Tabla 9.Estándares filtros Rauch
154
Fuente:http://www.ulpgc.es/hege/almacen/download/29/29861/filtros.pdf
CÁLCULOS FILTROS TIPO RAUCH
155
Para el calculo de los filtros se tuvo que trabajar por un programa llamado filter
lab el cual facilita el diseño de los filtros activos que queremos implementar.
Se dan las especificaciones que se desean y se escoge la clase de filtro que
hay que implementar.
Figura 81 Selección filtro
Para las especificaciones del filtro y el tipo que se necesita se remite a la
selectividad y la ganancia que posiblemente se quiere obtener en el montaje
(Figura 81)
Figura 82 Selectividad
156
Se le asigna la frecuencia en la que se desea trabajar dentro de los parámetros
que solicita el programa en este caso entre 80kHz y 100 kHz (Figura 82)
157
Figura 83 Asignación de frecuencias
158
Proporcionando el circuito fase por fase y en el orden que se necesite.
Finalmente al aceptar muestra el comportamiento del filtro planteado y
necesitado; el circuito que se propone con todos los elementos Figura 83
Figura 84 Comportamiento del filtro
159
Figura 85 Circuito filtros
La figura 86 modela el circuito final implementado en el filtro RAUCH
seleccionado.
Una vez calculado generamos una simulación para verificar su respuesta
(Figura 87).
Figura 86. Filtro RAUCH implementado
160
Función de transferencia Filtros Rauch Implementados
161
.
Figura 87. Simulación filtro Rauch
162
Figura 88. Señal entregada por el primer filtro.
En la parte superior de la grafica se observa la señal de entrada del filtro, en la
parte inferior la señal de salida. Figura 88
Figura 89. Señal entregada por el segundo filtro.
163
En la parte superior de la grafica se observa la señal de entrada del filtro, en la
parte inferior la señal de salida figura 89.
2 Demodulación
Para efectos de diseño del demodulador FSK se tuvo en cuenta el modulador
FSK seleccionado anteriormente debido a que debe existir una relación directa
entre el modulador y el demodulador para mantener el protocolo de
comunicación. Puesto que el modulador asignado es el XR2206 su coexistente
en la etapa de demodulación es el XR2211 que conserva las mismas
características establecidas por el modulador.
164
Para que una señal sea recogida satisfactoriamente es necesario contar con
algún tipo de demodulación, ya sea una señal analógica o una señal digital.
El sistema digital ofrece múltiples ventajas respecto a uno analógico, como por
ejemplo mayor inmunidad al ruido, menor consumo de energía eléctrica y
menor costo.
Este sistema digital de comunicación, ofrece una mayor capacidad para
transportar grandes cantidades de información respecto a los métodos de
modulación analógica.
En el desarrollo de este sistema se tomó un sistema de demodulación FSK ya
que se envía un número “n” de señales, cada una con frecuencias distintas, es
importante señalar que la modulación FSK no presenta componentes de
corriente o carga, puesto que la característica que varía en la señal es su
frecuencia. Un "0" lógico en el esquema de modulación binaria FSK será
representado por s 1 (t) = cos (w 1 t) y un "1" lógico por s 2 (t) = cos (w 2 t).
Se escogió trabajar con este tipo de demodulación ya que se hace más fácil el
envió de los datos diferenciándolos tan solo por el uso de frecuencias en este
caso f1 representa un 0 lógico y es igual a 80kHz, f2 representa el 1 lógico y es
igual a 100kHz.
Esta demodulación se lleva a cabo mediante la utilización del circuito integrado
xr2211.
Los parámetros tenidos en cuenta para la selección de las frecuencias de
demodulación para la recepción de datos se basan en los ruidos presente en la
red eléctrica y los diferentes factores que pueden afectarla.
165
En la figura 63 se muestra el circuito correspondiente a la demodulación usada
en el desarrollo de este proyecto.
Se presenta cómo se mostró en la etapa de modulación; pero en este caso
acople desde la red, filtro pasa banda (topología RAUCH) y 3 etapas de la
amplificación (tipo A) seguida de la demodulación.
Cálculos demodulación
BR = 80kbps
F1 = 80kHz
F2 = 100Khz
Se calcula la frecuencia central
Se calcula ahora R0, se recomienda que el valor de esta esté entre 10k y 100k.
Rx es un valor que se fija con un potenciómetro.
Se calcula C0
166
Se calcula R1
Se calcula C1
Cálculo de RF y RB
Cálculo de RSUM
167
Cálculo de Cf
Código de recepción
;*************************************************;programa de rx;************************************************** list P=16F877A #INCLUDE "P16F877A.INC" #DEFINE BANCO0 BCF STATUS,RP0 #DEFINE BANCO1 BSF STATUS,RP0
;*********************************************************;DECLARACION DE VARIABLES;********************************************************CONTROL EQU 20HCONT1 EQU 21HCONT2 EQU 22HLCD_TEMP_1 EQU 23HLCD_TEMP_2 EQU 24HOPCION EQU 81HUNIDADES EQU 25HDECENAS EQU 26HCENTENAS EQU 27HCUATRO EQU 28HTRES EQU 29HDOS EQU 2AHUNO EQU 2BHVAR EQU 2CHSINCR EQU 2DH;********************************************************;CONFIGURACION DE PUERTOS;******************************************************** BANCO1 CLRF TRISB ;PORTB= OUT MOVLW B'00000001' MOVWF TRISA BANCO0
168
CALL CONF_USART CALL UP_LCD
INICIO BTFSS PORTC,7 GOTO INICIO CALL RXCAR MOVWF CUATRO CALL RXCAR MOVWF TRES CALL RXCAR MOVWF DOS CALL RXCAR MOVWF UNO CALL RXCAR MOVWF UNIDADES CALL RXCAR MOVWF DECENAS CALL RXCAR MOVWF CENTENAS CALL LCD_INI ;RUTINA DE INICIACION CALL BORRA_Y_HOME ;RUTINA QUE CLAREA LA PANTALLA YDEVUELVE EL CURSOR ALINICIO CALL DISPLAY_ON_CUR_OFF ;RUTINA DE CONFIGURACION CALL MJE1 CALL MJE2 GOTO INICIO
CONF_USART BANCO1 MOVLW B'00100100' ;CONFIGURACION DE TRANSMISION MOVWF TXSTA ;-B7=XX EN ASINCRONO -B6=1 9BITS ATX -B5=1 ENABLE TX -B4=0ASINCRONO -B3=XX -B2=1 ALTA VELOCIDAD -B1=0 ES EL TRS(REGISTRO DEDESPLAZAMIENTODE TRANSMISION) 1= VACIO 0= LLENO -B0=0 9º BIT DE DATOS MOVLW d'25' ;PARA UNA TX DE 1.2kbps Y UN XT DE4MHZ MOVWF SPBRG MOVLW B'1000000' MOVWF PORTC ;PORTC DE SALIDA BSF PORTC,7 ;ESTE BIT ES RX BANCO0 MOVLW B'10010000' ;PARA CONFIGURAR RECEPCION MOVWF RCSTA ;-B7=1 HABILITA EL USART -B6=19BITS DE RX -B5=XX EN ASINCRONO-B4=1 RX CONTINUA -B3=XX -B2=0 SIN ERROR EN TRAMA -B1=0 NO DESBORDE-B0=XX RXDEL 9º BIT RETURNRXCAR ESRX BTFSS PIR1,RCIF ;REVISA SI LA RX FUE COMPLETA GOTO ESRX MOVF RCREG,0 RETURN
169
ESCR CALL LCD_DATO ;RUTINA PARA ESCRIBIR EN LA LCD CALL RETARDO RETURNRETARDO: MOVLW .30 ;180 VELOCIDAD DE APARICON DE LAS LETRAS MOVWF CONT2 ;EN LA PANTALLA LCDLOOP1: MOVLW .30 ;150,40 MOVWF CONT1LOOP: NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DECFSZ CONT1,1 GOTO LOOP DECFSZ CONT2,1 GOTO LOOP1 RETURN
MJE1 CALL BORRA_Y_HOME ;RUTINA QUE CLAREA LA PANTALLA Y DEVUELVEEL CURSOR ALINICIO CALL DISPLAY_ON_CUR_OFF ;RUTINA DE CONFIGURACION MOVLW 0X80 ;PALABRA PARA SELECCIONAR DDRAM CALL LCD_REG MOVLW B'00000110' ;ENTRY MODE SET. INC DE CURSOR CALL LCD_REG ;es decir en la linea 0 MOVLW "S" CALL ESCR MOVLW "E" CALL ESCR MOVLW "R" CALL ESCR MOVLW "I" CALL ESCR MOVLW "A" CALL ESCR MOVLW "L" CALL ESCR MOVLW ":" CALL ESCR MOVLW " " CALL ESCR MOVF UNO,W ANDLW B'11110000' MOVWF VAR SWAPF VAR,1 MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR MOVF UNO,W ANDLW B'00001111' MOVWF VAR MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR
170
MOVF DOS,W ANDLW B'11110000' MOVWF VAR SWAPF VAR,1 MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR MOVF DOS,W ANDLW B'00001111' MOVWF VAR MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR MOVF TRES,W ANDLW B'11110000' MOVWF VAR SWAPF VAR,1 MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR MOVF TRES,W ANDLW B'00001111' MOVWF VAR MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR MOVF CUATRO,W ANDLW B'11110000' MOVWF VAR SWAPF VAR,1 MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR MOVF CUATRO,W ANDLW B'00001111' MOVWF VAR MOVLW 30H ADDWF VAR,0 CALL ESCR RETURN
MJE2 MOVLW 0XC0 ;CAMBIAMOS PARA ESCRIBIR EN LA LINEA 2 CALL LCD_REG MOVLW 0XC0 ;CAMBIAMOS PARA ESCRIBIR EN LA LINEA 2 CALL LCD_REG MOVLW "C" CALL ESCR MOVLW "O" CALL ESCR MOVLW "N" CALL ESCR MOVLW "S" CALL ESCR MOVLW "U" CALL ESCR MOVLW "M" CALL ESCR MOVLW "O"
171
CALL ESCR MOVLW ":" CALL ESCR MOVLW " " CALL ESCR MOVLW 0FH ANDWF CENTENAS,1 MOVLW 30H ADDWF CENTENAS,0 CALL ESCR MOVLW 0FH ANDWF DECENAS,1 MOVLW 30H ADDWF DECENAS,0 CALL ESCR MOVLW "." CALL ESCR MOVLW 0FH ANDWF UNIDADES,1 MOVLW 30H ADDWF UNIDADES,0 CALL ESCR RETURN ;***************************************;EL CONJUNTO DE RUTINAS QUE SE PRESENTAN;A CONTINUACIÓN PERMITEN REALIZAR LAS TA-;REAS BASICAS DE CONTROL DEL MODULO DEL ;LCD.;**************************************#define ENABLE BSF PORTD,2 ;ACTIVA E (PIN6)#define DISABLE BCF PORTD,2 ;DESACTIVA E (PIN 6)#define LEER BSF PORTD,1 ;PONE LCD EN EL MODO LEER(PIN5)#define ESCRIBIR BCF PORTD,1 ;PONE LCD EN MODO ESCRIBIR(PIN 5)#define OFF_COMANDO BCF PORTD,0 ;DESACTIVA RS SELECCION DE REGIS,ESCRIBEOPERACION (MODO COMANDO)(PIN 4)#define ON_COMANDO BSF PORTD,0 ;ACTIVA RS LEE LA OPERACION(MODODATO)(PIN 4)
;****************************************;LA SIGUIENTE RUTINA CONFIGURA EL PIC PA-;RA QUE TRABAJE CON EL LCD.;****************************************UP_LCD: BANCO1 MOVLW B'10000111' ;PALABRA PARA EL REGISTRO OPTION, CON ELFIN DE DIVIDIR LAFRECUENCIA EN 1/256 MOVWF OPCION CLRF TRISB ;PORTB= OUT LCD MOVLW B'00111000' ;PORTD 0-3 COMO SALIDA, 4-7 COMO IN, MOVWF TRISD BANCO0 OFF_COMANDO ;REGISTRO DE COMANDO (INSTRUCCION) DISABLE ;DESACTIVA LA LCD RETURN;********************************************;LA SIGUIENTE RUTINA CHEQUEA EL ESTADO DE LA ;BANDERA DE OCUPADO DEL LCD. LA CUAL INDICA SI RUTINA DE OCUPADO
172
;YA SE TERMINO DE EJECUTAR EL COMANDO ANTERIOR;Y NO RETORNA HASTA QUE LO EJECUTE TOTALMENTE;*********************************************LCD_BUSY: LEER ;R/W = 1 BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1 MOVLW H'FF' ;PUERTO B COMO IN MOVWF PORTB BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0 ENABLE ;E = 1 NOPL_BUSY: BTFSC PORTB,7 ;MIRANDO SI EL LCD ESTA GOTO L_BUSY ;OCUPADO BF =1, CUANDO ESCERO YA TERMINO DISABLE ;E =0, ES DECIR DESACTIVA LA LCD BSF STATUS,RP0 ;PORTB = OUT CLRF PORTB BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0 ESCRIBIR ;R/W = 0 (MODO ESCRITURA) RETURN;****************************************;LA SIGUIENTE RUTINA SE ENCARGA DE GENERAR;UN IMPULSO DE 1 MICRSEG EN RA2, LA CUAL ;SE UTILIZA PARA SEÑAL ENABLE DEL LCD;****************************************LCD_E: ENABLE ;ACTIVA E NOP DISABLE ;DESACTIVA E RETURN ;*******************************************;LA SIGUIENTE RUTINA ESCRIBE EL CONTENIDO DEL;REGISTRO W, EL CUAL CONTIENE UN CARACTER AS-;CII, AL PUERTO B, PARA VISUALIZARLO POR EL;LCD O PARA ESCRIBIRLO EN LA CGRAM.;*******************************************LCD_DATO: OFF_COMANDO ;DESACTIVA RS (MODO COMANDO) MOVWF PORTB CALL LCD_BUSY;ESPERA EL LCD LIBRE ON_COMANDO ;ACTIVA RS(MODO DATO) CALL LCD_E ;GENERA UN PULSO EN E RETURN;***********************************************;ESTA RUTINA ES PARECIDA A LA ANTERIOR LA UNICA;DIFERENCIA ES QUE AHORA SE ESCRIBE UN COMANDO O INSTRUCCION;AL LCD.;***********************************************LCD_REG OFF_COMANDO ;DESACTIVA RS(MODO COMANDO) MOVWF PORTB CALL LCD_BUSY;LCD LIBRE CALL LCD_E ;RUTINA DE DESACTIVACION Y ACTIVACION RETURN;*************************************************;LA SIGUIENTE RUTINA SE ENCARGA DE HACER LA SECUEN-;CIA DE INICIALIZACÓN DE LA LCD DE ACUERDO CON LOS ;TIEMPOS DADOS POR EL FABRICANTE (15 MS).SE ESPECI-;FICAN LOS VALORES DE DL, N, Y F, ASI COMO LA CON-;FIGURACIÓN DE UNA INTERFAZ D 8 LINEAS CON EL BUS;DE DATO DEL PIC, Y 2 LINEAS DE 16 CARACTERES DE; 5X7 PIXELES. ES
173
;*************************************************LCD_INI: MOVLW B'00111000' ;PALABRA FUNCION SET(TAMAÑO, LINEA) CALL LCD_REG ;CODIGO DE INSTR. CALL LCD_DELAY ;TEMPORIZA MOVLW B'00111000' ; CALL LCD_REG CALL LCD_DELAY MOVLW B'00111000' CALL LCD_REG CALL LCD_DELAY RETURN;*********************************************;LA SIGUIENTE RUTINA BORRA EL LCD Y RETORNA AL;CURSOR A LA POSICION 0 (HOME);*********************************************BORRA_Y_HOME: MOVLW B'00000001' ;CLAREA EL DISPLEY Y VUELVE ALINICIO CALL LCD_REG ;ESCRIBE LA INSTRUCCION EN ELDISPLEY RETURN;*********************************************;LA SIGUIENTE RUTINA CONTROLA EL DISPLAY Y CUR-;SOR. ACTIVA EL DISPLAY Y DESACTIVA EL CURSOR;*********************************************DISPLAY_ON_CUR_OFF: MOVLW B'00001100' ;PALABRA DYSPLEY ON/OFF CONTROL CALL LCD_REG ;ESCRIBE EN EL DISPLEY RETURN;******************************************;LA SIGUIENTE RUTINA PRODUCE UN RETARDO DE;5 MILISEGUNDOS.;******************************************LCD_DELAY: MOVLW 10 MOVWF LCD_TEMP_1 CLRF LCD_TEMP_2LCD_DELAY_1: DECFSZ LCD_TEMP_2,F GOTO LCD_DELAY_1 DECFSZ LCD_TEMP_1,F GOTO LCD_DELAY_1 RETURN
END
174
4. PRESENTACIÓN DE ANÁLISIS Y RESULTADOS
El sistema de tele registro del consumo de energía eléctrica a través de las
líneas de tensión se encuentra en la capacidad de transmitir cualquier tipo de
datos a un bajo costo, se presenta como una solución práctica y sencilla para la
transmisión de datos. A pesar de que la red eléctrica no está diseñada para
comunicaciones, sino para la distribución de energía a bajas frecuencias, se
presenta como una solución atractiva a la transmisión de datos a través de la
misma, básicamente por su gran infraestructura.
Este proyecto se enfocó en la transmisión del dato capturado del medidor
eléctrico domiciliario que hace referencia al consumo de energía eléctrica. Para
ello se debido en dos grandes etapas que son:
Etapa de transmisión de datos.
Etapa de recepción de datos.
Estas dos etapas son totalmente independientes aunque se encuentren
correlacionadas.
1 ETAPA DE TRANSMISIÓN DE DATOS.
Esta etapa es la encargada de capturar los datos provenientes del contador
(figura 90), codificarlos, modularlos y enviarlos a la red eléctrica por medio de
las diferentes fases del circuito transmisor.
175
Figura 90. Esquema lógico para la transmisión de datos
Comportamiento del PIC 16F877.
El programa gravado en el PIC cumple con su función a cabalidad, la cual es
recibir el pulso proveniente del medidor eléctrico y realizar un conteo de los
pulsos, esta información se presenta en número binario y es enviada
directamente al modulador. Se llevó a cabo pruebas sobre un circuito de
prueba con una pantalla LCD para demostrar que se cumple con la función
asignada, en la pantalla se muestra el número de registro del contador y el
conteo realizado que hace referencia al consumo eléctrico. Para simular el
consumo eléctrico se conectó el medidor eléctrico directamente a una carga
netamente resistiva y con esto se comprobó que el consumo mostrado por el
medidor eléctrico análogamente es equivalente al consumo mostrado en la
pantalla LCD.
Comportamiento del modulador XR-2206
176
Este modulador cumple con múltiples funciones y una de ellas es la modulación
FSK. Las pruebas realizadas con este integrado en los laboratorios de la
Universidad De San Buenaventura arrojaron resultados que fueron positivos,
se comprobó que las frecuencias asignadas se encontraban en el rango de
trabajo del integrado. Los resultados obtenidos por las mediciones realizadas
en el osciloscopio son los esperados, pues existe concordancia con las
simulaciones realizadas.
Comportamiento de la etapa de acople.
Se comprobó la importancia de esta etapa en el sistema, la señal entregada
por el modulador se encuentra débil, con este circuito de acople se le dio el
realce requerido a la señal y se filtró satisfactoriamente en cada etapa del
proceso haciendo la señal lo más limpia posible para facilitar su transmisión y
su recepción en el demodulador.
Los parámetros de diseño brindan un acercamiento al resultado final, pero no
fueron suficientes, fue preciso realizar diferentes tipos de pruebas para calibrar
el sistema y lograr el objetivo deseado, ajustando los filtros a las características
propias de la red. Se concluye que esta etapa puede variar dependiendo de las
características de la red y de las posibles señales que de una u otra manera
pueda afectar el sistema de transmisión de datos.
Líneas de tensión
A través del osciloscopio se comprobó que la señal modulada se encontrara en
la red, a pesar de haber filtrado la señal en la etapa de acople del modulador se
ve afectada por ruidos presentes en la red, es por eso que se debe tener
cuidado en el filtrado de la señal antes de ser recibida en el receptor.
177
2 ETAPA DE RECEPCIÓN DE DATOS
Esta etapa es la encargada de recibir los datos existentes en la red, filtrarlos y
amplificarlos para el posterior análisis de los mismos. (Figura 91)
Figura 91. Esquema lógico para la recepción de datos
Comportamiento de la etapa de acople.
Esta etapa es mucho más importante que la etapa de acople del emisor pues la
señal se encuentre contaminada debido al medio de transmisión, además
presenta una atenuación significativa que se le atribuye a la inserción en la red
de la señal.
El acople diseñado se comporta según lo esperado en los cálculos y diseño
aunque al igual que en la etapa de acople del modulador fue necesario realizar
ajustes para lograr el objetivo, calibrando el sistema.
178
Comportamiento del demodulador XR-2211
El modulador se comporta tal cual como especifica el fabricante, los
parámetros de diseño fueron los adecuados y no se presenta ningún
inconveniente. El XR-2211 demodula la señal a cabalidad.
Comportamiento del PIC 16F877
El programa grabado en el PIC lleva a cabo la función de recibir el dato en
código binario de acuerdo al protocolo de comunicación establecido y enviar el
dato a la pantalla LCD. En esta etapa del proceso no se presenta ningún
inconveniente y se logra con el objetivo final, mostrar el dato transmitido.
179
6. CONCLUSIONES
La tecnología PLC se presenta como una alternativa para la transmisión
de datos por medio de la red eléctrica a bajo costo debido a que la
infraestructura de ésta es muy extensa y no requiere de infraestructura
adicional, además del fácil acceso a la información ya que se puede
conectar desde cualquier punto de la red.
El sistema de “teleregistro del consumo de energía eléctrica a través de
las líneas de tensión” se presenta como una alternativa económica y
factible frente a la problemática de la recolección de la información que
se encuentra en los medidores de energía eléctrica, además de
garantizar la velocidad en la adquisición de la información y la fidelidad
de los datos.
La modulación FSK es tal vez la más conveniente en este tipo de
transmisión de datos, pues con sólo variar la frecuencia se puede definir
la diferencia entre un uno lógico y un cero lógico haciendo de este tipo
de modulación la más eficaz teniendo en cuenta el factor
costo-beneficio, además de ser un sistema robusto frente al ruido.
180
Existen muchos factores que podrían afectar la señal modulada que se
deben tener en cuenta al momento de instalar el prototipo del sistema
debido a las interferencias que lo afectan.
El diseño de los filtros puede variar según las características de la red y
el ambiente que rodea el sistema.
Existe una caída de voltaje de la señal transmitida por la red que se
atribuye a las características propias de la red y que no se pueden
modificar.
Es un sistema capaz de incorporar nuevas aplicaciones en el ámbito de
las comunicaciones.
La señal transmitida aparece de forma asíncrona en la red eléctrica.
La transmisión de datos por la red eléctrica es interferida por la señal de
60 Hz, por sus señales armónicas y por otras señales indeseables; para
garantizar la calidad de la comunicación, se sugiere modular los datos a
una frecuencia entre 80 KHz – 400 KHz.
El mercado colombiano para este tipo de desarrollo tecnológico es muy
limitado, y la única opción que existe es la importación directa de
elementos con protocolo X-10.
181
7. RECOMENDACIONES
Debido a que este desarrollo es un sistema de comunicación basado en
la modulación FSK es susceptible al ruido, por lo tanto debe tenerse en
cuenta su lugar de instalación que debe ser alejado de fuentes de ruido
como las bombillas fluorescentes, los monitores de los computadores,
los computadores portátiles, elementos con alta impedancia como los
transformadores, etc.
Es un sistema diseñado para la comunicación de un dato específico pero
puede ser adaptado para la comunicación unidireccional de cualquier
tipo de dato, dejando abierta la posibilidad de ampliar la investigación
para la comunicación bidireccional de datos.
182
ANEXO A
183
184
ANEXO B
185
186
ANEXO C
187
188
ANEXO D
189
190
ANEXO E
191
192
193
ANEXO F
194
195
196
ANEXO G
197
198
ANEXO G
IMPRESO TRASMISOR
199
200
ANEXO I
IMPRESO RECEPTOR
201
202
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