INSTRUMENTACION Y MEDICIONES PROYECTO FINAL

Presentado a: GABRIELA INES LEGUIZAMON SIERRA

MARLON ESTY TRILLOS SUAREZ COD.13567564

DIEGO FERNANDO QUIJANO HÓMEZ COD. 14396543

GRUPO.201455_8

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

VALLEDUPAR – CESAR 2012

Objetivo general de la actividad

Construir un sistema de instrumentación para medir la variable peso, utilizando

un puente de Wheatston.

Sustentar el sistema de instrumentación para medir la variable peso de acuerdo con las variables establecidas para el proyecto.

INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se implementa una aplicación del puente de Wheatston para el diseño de una báscula electrónica utilizando un transductor (galgas extensiométricas). Se describe el acondicionamiento de la señal por la deformación de la galga, las diferentes etapas del circuito, el amplificador de instrumentación, el filtrado y conversión análoga/digital. Se muestra la importancia de las galgas extensiométricas y las diferentes aplicaciones de este transductor en la industria El diseño de los sistemas de medida centra su atención el tratamiento de las señales o magnitudes de entrada. Los sensores y los transductores son parte fundamental para cualquier sistema electrónico.Las galgas extensiométricas son dispositivos transductores pasivos que aplicados sobre un algún material fijo o elástico, permiten medir la fuerza ejercida sobre él a partir de la deformación resultante. Así, fuerzas de compresión o torsión, aplicadas sobre algún material, generan deformaciones que son transmitidas a una galga extensiométrica, respondiendo ésta con una variación de su propia resistencia. Las galgas se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones a nivel industrial, de investigación, ingeniería, instrumentación biomédica, en sistemas de pesaje automático y en todos los campos donde se requieran mediciones precisas de fuerza aplicada sobre alguna superficie

ANTECEDENTES Fundamento de las Galgas extensiométricas: Efecto piezoeléctrico Las galgas extensiométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad?, su resistencia eléctrica R es:

Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo tanto, R también cambia de la forma:

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia (Figura 1), viene dado por la ley de Hooke,

donde E es una constante del material, denominada módulo de Young, s es la tensión mecánica y e es la deformación unitaria. e es adimensional, pero para mayor claridad se suele dar en “microdeformaciones” (1 microdeformación = 1μe = 10-6 m/m). Si se considera ahora una pieza que además de la longitud l tenga una dimensión transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un esfuerzo longitudinal no sólo cambia l sino también lo hace t. La relación entre ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:

donde μ es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor está entre 0 y 0.5, siendo, por ejemplo, de 0.17 para la fundición maleable, de 0.303 para el acero y de 0.33 para el aluminio y el cobre. Obsérvese que para que se conservara constante el volumen debería ser μ = 0.5. [1].

Diagrama a bloques Diagrama de bloques del circuito:

Diagrama Esquemático

Puente de Wheatstone Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variación, los cambios de voltaje de un simple divisor de voltaje son mínimos e incluso pueden confundirse con variaciones de la fuente de alimentación (ruido); en estos casos se hace necesaria la utilización de un circuito llamado puente de Wheatstone, el cual se muestra en la Figura 5. Según la Figura 5(b) En una de las ramas se coloca el elemento sensor resistivo que en nuestro caso es la galga extensiométrica, se ajusta el potenciómetro de manera que en estado de reposo de la galga el voltaje en “a” sea exactamente la mitad de Vcc, la otra rama debe de ser un divisor de voltaje en donde Vb sea también exactamente la mitad de Vcc; el voltaje de interés se toma de los puntos “a” y “b” que en estado de reposo de la galga será 0 V, cuando varía la resistencia de ésta, se presenta entonces un voltaje Vab mayor o menor a cero según si aumenta o disminuye la resistencia respectivamente, y debido sólo a la variación de la misma, este circuito permite pues inmunidad ante los cambios (ruido) en la fuente de alimentación y una mayor sensibilidad que se refleja en un mejor control de la información proveniente del sensor.

En la Figura 5 (a), la resistencia R3 representa al transductor, y sufre una desviación según un parámetro d, si R1 = R4 = R2, entonces:

La desviación se causa por la respuesta del transductor que se modifican con la señal de entrada. El voltaje de salida Vab es una medida de la desviación d. La tensión Vab es un voltaje de circuito abierto, entonces [5]:

Búffers de voltaje y Amplificador restador Para no provocar caídas indeseadas de voltaje ni extraer corriente del puente de Wheatstone se emplea un operacional en configuración de seguidor de voltaje, la alta impedancia de entrada de éstos permite extraer la información del voltaje sin influir en el comportamiento del puente. Las señales del voltaje Va y el voltaje Vb entran entonces en un amplificador restador con una ganancia máxima de voltaje de 100 (ajustable). El voltaje del amplificador restador esta determinado por la siguiente ecuación:

En el diagrama eléctrico (Figura 3) se observan los elementos de la ecuación (1.7): Ri = 10Kohm y Rf es un potenciómetro de 1MOhm que ajusta la ganancia del amplificador restador [2]. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE FUNCIONAMIENTO La balanza está compuesta por elementos que permiten la detección y visualización del peso. El diseño del equipo puede resumirse en el diagrama de bloques de la figura.

El sensor de peso de la balanza es la celda de carga, una de las más económicas, tener diseño compacto, buena linealidad y ser de simple colocación en la estructura. Esquemáticamente se tiene:

La señal de la galga en la celda se acondiciona con un amplificador de instrumentación y posteriormente se digitaliza en el microcontrolador.

Celda de carga. La celda de carga, como sensor de peso, constituye la parte fundamental de la balanza. Se escogió una celda tipo single point o punto único, en la cual la presión se ejerce sobre un punto específico de su estructura, característica que debe considerarse para la fijación de la celda en la carcasa de la balanza y para la colocación de la bandeja de pesaje. Especificaciones Técnicas de la Celda de Carga

Parámetro Unidad Valor

Capacidad kg 40

Sensitividad mV/V 2

Tamaño Máximo de la plataforma

cm 35 x 35

Límite de Carga % Cap. 150

Límite de Ruptura % Cap. 300

Excitación Nominal V 10

Excitación Máxima V 15

Impedancia de Entrada Ohm 415 + 15

Impedancia de Salida Ohm 350 + 3

Tipo de Circuito de Compensación

Puente Balanceado

Largo del Cable metros 0.5

Códico de Color +excitación = verde, +señal = rojo -excitación = negro, -señal = blanco

Construcción Aluminio

Estos datos pueden ser interpretados de la siguiente forma:

La capacidad es el peso máximo al que se puede someter a la celda e incluye el peso muerto, el peso neto máximo y la tolerancia. Capacidad = Peso Muerto + Peso Neto Max.+ Tolerancia La plataforma de pesaje y su soporte forman parte del peso muerto.

La sensitividad indica el voltaje que entrega el circuito de la galga por cada

voltio de excitación, cuando está sometida al peso máximo. La alimentación de 5 voltios está en el rango dado por el fabricante y puede usarse para la energización del resto de los circuitos de la balanza. Señal Max.= Sensitividad ×Voltaje Excitación

El tamaño máximo de la plataforma se especifica en 35x35mm, este no debe

sobrepasarse ya que puede desequilibrar la medición dando resultados erróneos y dañando al sensor.

Los límites de carga y de ruptura obedecen al comportamiento de la celda

misma, y para este caso indican los siguientes valores:

MICROCONTROLADOR PIC 16F877 Este microcontrolador es fabricado por MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para ser empleado en la aplicación que posteorimente será detallada. Algunas de estas características se muestran a continuación:

Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello. Amplia memoria para datos y programa. Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina

FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo).

Set de instrucciones reducido (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo.

CARACTERISTICAS En siguiente tabla de pueden observar las características más relevantes del dispositivo:

CARACTERÍSTICAS 16F877

Frecuencia máxima DX-20MHz

Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB

Posiciones RAM de datos 368

Posiciones EEPROM de datos 256

Puertos E/S A,B,C,D,E

Número de pines 40

Interrupciones 14

Timers 3

Módulos CCP 2

Comunicaciones Serie MSSP, USART

Comunicaciones paralelo PSP

Líneas de entrada de CAD de 10 bits 8

Juego de instrucciones 35 Instrucciones

Longitud de la instrucción 14 bits

Arquitectura Harvard

CPU Risc

Canales Pwm 2

Diagrama de Pines.

Conversor A/D. Los microcontroladores de las familias PIC16F87x y PIC18Fxxx de los cuales estaremos hablando a continuación, poseen un convertidor Analógico-Digital que convierte una señal analógica en un número de 8 o 10 bits, según sea la configuración elegida por el diseñador. Los microcontroladores de 40 pines como el PIC16F877, se puede observar que poseen 8 canales para conversión A/D, identificadas por las siglas AN(n), las cuales se encuentran distribuidas entre el puerto A y el puerto E, como se muestra en el diagrama de pines de la figura:

En el microcontrolador PIC16F877, cada canal de conversión A/D está conectado a un pin ubicado en el puerto “A” y en el puerto “E”. Por ejemplo, el canal AN0 corresponde al pin # 2 del microcontrolador, o expresado de otra manera, al pin RA0 del puerto A. El canal AN1 corresponde al pin # 3; el canal AN2 corresponde al pin # 4 y así sucesivamente; entonces se puede ver claramente que el puerto A cuenta con cinco de los ocho canales del conversor A/D, y los otros tres canales están ubicados en los pines correspondientes al puerto E del microcontrolador. Un punto importante a considerar al momento de utilizar el convertidor A/D,será decidir si la conversión se hará configurando el conversor a 8 o 10 bits, con lo cual a su vez estaremos definiendo la resolución en el proceso de conversión. Esto significa que si elegimos la conversión de una señal analógica a solo 8 bits (28 = 256), los valores digitales resultantes de la conversión estarán comprendidos entre 0 y 255 (en binario es de 00000000 hasta 11111111), como se puede observar en la tabla

Cuando la conversión se hace a 10 bits, la resolución aumenta considerablemente en relación a la de 8 bits, ya que tenemos 210 = 1024 datos de conversión, como se puede observar en la tabla

Conexión de una pantalla LCD y el conversor A/D en Pic Basic

El potenciómetro conectado en RA0 va a simular la galga.

DISPLAY LCD. Las pantallas LCD alfanuméricas, son las más utilizadas hoy en día en el desarrollo de proyectos o equipos electrónicos en los cuales se hace necesario visualizar mensajes de texto cortos, que proporcionen la información adecuada sobre un evento determinado. Las pantallas más comunes suelen ser de 1x16, de 2x16 y de 4x16 (Filas x Columnas). Todas estas configuraciones también se encuentran para 20 columnas y hasta para 40 columnas. Identificación de los pines de una pantalla LCD: Veamos a continuación la

descripción de cada uno de los pines de una pantalla LCD:

Pin out de un módulo LCD con conexión a Vcc, Gnd y Control de contraste. Pin 1, 2 y 3: como se puede observar en la figura, en la mayoría de las pantallas LCD, el Pin No. 1 y 2 corresponden a la alimentación de la pantalla, GND y Vcc, donde el voltaje máximo comúnmente soportado es de 5Vdc. El Pin No.3 corresponde al control de contraste de la pantalla. Pin 4: "RS" (trabaja paralelamente al Bus de datos del modulo LCD, Pines 7 al 14, es decir, cuando RS es cero, el dato presente en el bus corresponde a un registro de control o instrucción, pero cuando RS es uno, el dato presente en el bus corresponde a un registro de datos o carácter alfanumérico. Pin 5: "R/W" (Read/Write), este pin es utilizado para leer un dato desde la pantalla LCD o para escribir un dato en la pantalla LCD. Si R/W = 0, esta condición indica que podemos escribir un dato en la pantalla. Si R/W = 1, esta condición nos permite leer un dato desde la pantalla LCD. Pin 6: "E" (Enable), este es el pin de habilitación, es decir, si E = 0 el módulo LCD se encuentra inhabilitado para recibir datos, pero si E = 1, el módulo LCD se encuentra habilitado para trabajar, de tal manera que podemos escribir o leer desde el modulo LCD.

Pin 7 al14: "Bus de Datos”, el Pin 7 hasta el Pin 14 representan 8 líneas que se utilizan para colocar el dato que representa una instrucción para el modulo LCD o un carácter alfanumérico . Pin 15-16: "Back Light", en muchos modelos de LCD, los pines 15 y 16 son respectivamente el “Ánodo” y el “Cátodo”,

Conexión de una pantalla LCD en Pic Basic: Una pantalla LCD puede ser conectada a un microcontrolador utilizando los ocho bits del bus de datos (D0 a D7) o solamente los cuatro bits más significativos del bus de datos (D4 a D7). Al emplear los ocho bits, estos deberán estar conectados en un solo puerto y nunca en puertos diferentes. Si deseamos trabajar solo con los cuatro bits más significativos del bus, estos deberán ser conectados en los cuatro bits menos significativos de un puerto o en los cuatro bits más significativos del puerto seleccionado. Los pines E (Pin 6) y RS (Pin 4) pueden estar conectados en cualquier puerto del microcontrolador. Por último, el Pin R/W deberá estar conectado a tierra (GND) para indicar a la pantalla LCD que estaremos escribiendo, esto debido a que estaremos trabajando inicialmente solo con la instrucción “Lcdout”.

Obtención del modelo matemático del comportamiento de la galga Debido a que el comportamiento de nuestra galga al ir colocando pesos en ella no es totalmente lineal, como se puede observar en la Figura 6, es necesaria la obtención matemática experimental de dicho comportamiento, para hacerlo, se colocaron pesos de 34 en 34 gramos y se midió el voltaje que se presenta a la salida del amplificador restador. Se repitió esta labor 12 veces para obtener mejores resultados, hecho esto se convirtieron los valores de voltaje a la palabra digital equivalente entregada por el ADC0804, la Tabla 1 muestra un resumen del procedimiento.

Código Fuente. El código para programar al microcontrolador, por facilidad, se realizó en el lenguaje de alto nivel C, usando un compilador y traductor C – Ensamblador llamado “xxxxxx”, el cual incluye además una librería con funciones para el manejo de LCD con protocolo estándar como el que se usa en este proyecto. El diagrama de flujo del algoritmo se muestra en la Figura 7.

A continuación se muestra el código fuente:

CONCLUSIONES

Los fundamentos aprendidos en asignatura nos proporcionan conocimientos básicos sobre los artefactos eléctricos, como en este caso aplicando la ley de Ohm, el conductor transmitirá una señal proporcional a la deformación de la celda de carga si al circuito se le aplica un voltaje de excitación.

La celda de carga es la parte fundamental de una balanza ya que determina el

rango de pesado y la precisión. Este sensor es uno de los más sencillos en cuanto a principio de funcionamiento y colocación, por esta razón actualmente casi todas las balanzas electrónicas utilizan una celda de carga a excepción de las balanzas de aplicaciones que requieren muy alta precisión como las de laboratorio.

Una de las debilidades de la Celda de Carga es la sensibilidad al ruido, esto

puede mejorarse con la tecnología de construcción, pero sacrificando el precio del sensor, a mayor inmunidad al ruido, mayor es el precio.

BIBLIOGRAFÍA

Enciclopedia Libre Wikipedia http://www.wikipedia.org

Comunidad de Electrónicos http://www.comunidaddeelectronicos.com

Yo Reparo (Comunidad de reparadores) http://www.yoreparo.com

Couglin Robert, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. 5ª Edición. Prentice Hall. México. 1997