Actividad 11
Trabajo Final Colaborativo
Luis Alberto Sánchez Correa
Código: 16.786.134
Director: Hugo Orlando Pérez Navarro
Grupo Colaborativo: 201455-8
Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
Cead: Palmira- Valle- Colombia
Junio -2014
INTRODUCCION
En
el presente informe se busca iniciar y realizando construyendo en este proyecto
se va a construir un sistema de instrumentación para medir peso utilizando un
puente de Wheatstone Báscula Electrónica se en el proceso de aprendizaje sobre
la temática del curso; reconocer a los compañeros de equipo de trabajo, al
tutor y al director del curso.
En
este espacio los integrantes del grupo colaborativo deben interactuar
asertivamente para dar solución al caso planteado, cada uno debe realizar sus
aportes significativos para la implementación del sistema, evidenciando el
éxito en la presentación del informe.
Adicionalmente
se requiere uso el software de
simulación Proteus que permite tener una mejor prospectiva y diagnóstico de
estos diseños de circuitos electrónicos para medición de variables eléctricas. El
curso de Instrumentación y Mediciones permitirá
que se ampliara el conocimiento sobre los diferentes elementos, dispositivos y
sistemas basado en la electrónica, cuyas aplicaciones están presentes
actualmente en innumerables aspectos de nuestra vida actual y moderna.
OBJETIVOS
Generales
- 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.
Descripción del Problema:
Se
debe realizar un equipo completo de instrumentación, el cual debe medir pesos
entre 0 y 1000 gramos.
El
equipo o báscula electrónica debe tener todos los componentes necesarios para
el buen funcionamiento del equipo:
Ø -Elementos
de entrada: sensor y puente de Wheatston.
Ø Acondicionamiento
de señales: Amplificador y conversor A/D
Ø Salida:
Display Digital o analógico.
Ø
MARCO
TEÓRICO
PUENTE
DE WHEATSTONE
Un
puente de Wheatstone Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante
el equilibrio de los brazos del puente.
Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito
cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.
La
Figura 1.0 siguiente muestra la disposición eléctrica del circuito y la Figura
2.0 corresponde a la imagen real de un puente de Wheatstone típico.
En
la Figura 1 vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1,
R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es
ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es
igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre
los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre
esos dos puntos C y B. Para efectuar la medida lo que se hace es variar la
resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente
nula se puede hacer con gran precisión mediante el voltímetro V.
La
dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado
alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y
no afecta a la medida. Cuando el puente está construido de
forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de
equilibrio.(corriente nula por el galvanómetro).Asimismo, en condición de
equilibrio siempre se cumple que: Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con
mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión.
Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente
detectados por la indicación del galvanómetro.
De
forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es
ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada
para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el
ajustar a cero la corriente a través del medidor.Variantes del puente de
Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacitancias e
inductancias. La disposición en puente también es ampliamente utilizada en
instrumentación electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias
por sensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional
a la variación. A la salida del puente (en la Figura 1, donde está el
galvanómetro) suele colocarse un amplificador.
Al
ser un circuito netamente resistivo, conociendo el voltaje de alimentación y el
valor de tres (3) de las resistencias conectadas es posible determinar el valor
de la resistencia desconocida Rx utilizando análisis de nodos:
Si
elegimos resistencias iguales, o sea si hacemos R1=R2=R3, el voltaje de salida
será:
Si
el voltaje de salida del puente es cero voltios se dice que el puente esta
balanceado, y en este caso se puede establecer la siguiente relación entre los
valores de las resistencias:
Galga Extensiometrica:
Una
galga extensiométrica o extensómetro es un sensor, para medir la deformación,
presión, carga, torque, posición, entre otras cosas, que está basado en el
efecto piezorresistivo, el cual es la propiedad que tienen ciertos materiales
de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se le someten a ciertos
esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos. Un esfuerzo que
deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica, esta
variación puede ser por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección
o el cambio generado en la resistividad. Inventado por los ingenieros Edward E.
Simmons y Arthur C. Ruge en 1938.
La
galga extensiométrica hace una lectura directa de deformaciones longitudinales
en cierto punto del material que se está analizando. La unidad que lo
representa es épsilon, esta unidad es adimensional y expresa el cambio de la
longitud sobre la longitud inicial.
En
su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a
una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformación se
quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma
el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su
resistencia eléctrica. Habitualmente una galga extensiométrica consiste de un
alambre muy fino, o más comúnmente un papel metálico arreglado en forma de
rejilla, que se puede unir por medio de soldadura a un dispositivo que pueda
leer la resistencia generada por la galga.
Esta
forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga
sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal. Las galgas extensiométricas
también pueden combinarse con muelles o piezas deformables para detectar de
forma indirecta los esfuerzos.Idealmente, las galgas deberían ser puntuales
para así poder medir esfuerzos en puntos concretos. En la práctica las
dimensiones de la galga son apreciables por lo tanto se supone que el punto de
medida es el centro geométrico de la galga. Si se pretenden medir vibraciones,
es necesario que la longitud de las ondas de esas vibraciones sean mayores que
la longitud de la galga. Las galgas pueden estar cementadas en un placa pequeña
o dos elementos presionan el alambre que transporta la electricidad.
Las
galgas tienen ciertas características que las representan unas físicas y otras
en cuanto a su funcionamiento. Entre las físicas se encuentra su tamaño, peso y
materiales con los que fueron hecha, es pequeña y dura lo que facilita la
velocidad en que genera las respuestas; estas son muy importantes puesto que el
resultado correcto depende de estos aspectos. Existen también características
que dependen de la fabricación de la galga, por ejemplo, la temperatura del
funcionamiento y el factor de la galga, este indica la sensibilidad que tiene
el sensor. También la resistencia de la galga, el coeficiente de temperatura,
la prueba de fatiga y el coeficiente de expansión lineal; son características
necesarias para conocer bajo que circunstancias la galga arroja los resultados
adecuados.
Los
materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son alambres muy pequeños
de aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán (Níquel 60%-Cobre 40%),
nicrom, Chromel (Níquel-Cromo), aleaciones (Hierro-Cromo-Aluminio), elementos
semiconductores como el silicio y el germanio o gravado en laminillas metálicas
delgadas. Es por ello que las galgas se clasifican en dos tipos: las metálicas
y las semiconductoras.
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 micro controlador.
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
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
sensibilidad 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.=
Sensibilidad ×Voltaje Excitación
Señal Max=2[mV/V].5[V]=10mV
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:
Limite
Carga=(1.5)x(40[Kg] )=60[Kg]
Limite
Ruptura=(3)x(40[Kg] )=120[Kg]
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 posteriormente será detallada.
Algunas
de estas características se muestran a continuación:
Soporta
modo de comunicación serial, posee dos pines para ello.
ü Amplia
memoria para datos y programa.
ü 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).
ü Set
de instrucción reducida (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para
facilitar su manejo.
CARACTERISTICAS
En
siguiente tabla de pueden observar las características más relevantes del
dispositivo:
Diagrama
de Pines.
Conversor A/D.
El
micro controlador 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 módulo 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 serconectada 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”.
DESARROLLO DEL TRABAJO
En
la siguiente tabla se presenta el respectivo ajuste de linearización de las
celdas de carga con respecto a los amplificadores operacionales y la salida en
el procesador pic y luego el display.
La
primera prueba determinamos que hasta el valor de 800 g el peso es normal como
se ve en el simulador.
En
la segunda prueba que representa la escala de 800 a 900 g linealizados muestra
el estado del PESADO y el valor en
kilogramos como también el LED amarillo.
En
el último estado de la bascula se muestra el estado mayor de 900 g Sobre peso y el LED Rojo aparece prendido.
Programa elaborado para el
Procesador PIC.
# include<16f877.h>
# device adc=10
# use delay (clock=4M)
#include <lcd.c>
Float
peso;
void
main()
{
//**************Convertidor
de peso
setup_adc_ports
(RA0_ANALOG);//entrada lm35
setup_adc
(ADC_CLOCK_INTERNAL); //***convertidor analógico digital o reloj interno
setup_COUNTERS
(RTCC_internal.rtcc_div_1) ; //marca división para convertidor
set_adc_channel (0);
//*********************************
//****************Inicio del LCD **************
Lcd_init ();//******inicio lcd
//Lcd_gotoxy (1,1);Printf (lcd_putc,"INSTRUM
& MEDIC");
Lcd_gotoxy (3,1);Printf (lcd_putc,"BASCULA
UNAD");
delay_ms(400);
//******************************************
while(true)
{
peso=
(float)read_adc()/2 *10;// lectura convertidor análogo digital peso
lcd_gotoxy
(2,2);
printf
(lcd_putc,"%f",Peso); //*****%f variable flotante***
lcd_gotoxy(12,2);printf(lcd_putc,"KG");
delay_ms
(300);
//***********************Logica
para peso Normal
if(peso<=750)
{
output_high(pin_c1); //Led normal ON
output_low(pin_c2); //Led OFF
output_low(pin_c3); //Led OFF
lcd_gotoxy(20,4);printf(lcd_putc,"Normal");
delay_ms(400);
lcd_gotoxy (20,4); printf(lcd_putc," ");
output_low(pin_c3); //- BLINK
delay_ms(400);
}
//*******************Logica
para peso alta
if(peso<=900&&peso>750)
{
output_low(pin_c1); //Led OFF
output_low(pin_c2); //Led OFF
output_high(pin_c3); //Led ON
lcd_gotoxy (20,4);
printf(lcd_putc,"Pesado");
delay_ms(400);
lcd_gotoxy (20,4);
printf(lcd_putc," ");
output_low(pin_c3); //- BLINK
delay_ms(400);
}
//***************************Logica
para peso es baja
if(peso>=900)
{
output_low(pin_c1); //Led normal OFF
output_high(pin_c2); //Led ON
output_low(pin_c3); //Led OFF
lcd_gotoxy
(20,4); printf(lcd_putc,"Sobrepeso");
delay_ms(400);
lcd_gotoxy (6,3); printf(lcd_putc," ");
output_low(pin_c2); //Led F - BLINK
delay_ms(400);
}
}
}
CONCLUSIONES
ü El
error en las mediciones se da principalmente por la resistencia interna de los
instrumentos de medida, incluso el multímetro digital presenta una resistencia
interna que altera la corriente en el circuito, y el amperímetro diseñado
también posee su resistencia interna que afecta las magnitudes en el circuito.
ü Se
obtiene actualmente mejor precisión con los equipos de medición digitales.
ü La
medida puede verse afectado por muchos factores externos, por lo tanto debe
permitirse ajustarse algún grado de sensibilidad.
ü Es
fundamental conocer la terminología convencional para poder interpretar
correctamente la lectura de un instrumento determinado y poder definir y
caracterizar los posibles errores resultantes. Hay que ser cuidadoso en la
elección de un instrumento o combinación de ellos para realizar una medida, es
muy importante saber encontrar el método más preciso y exacto.
ü Del
estudio de diferentes métodos se concluye que para medir materiales
superconductores utilizando corriente continua el más apropiado es el de las
cuatro puntas con inversión de corriente.
ü A
través de este trabajo se permitió conocer los integrantes del grupo
participativo.
ü
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.
ü
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.
ü 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.
Referencias Bibliográficas
ü Modulo: Instrumentación y Mediciones. UNAD.
ü Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas
de medición”, PrenticeHall.
ü Bopton, ”Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas”,
Alfaomega . Lázaro, Manuel, “Problemas resueltos de instrumentación y medidas
electrónicas”, Paraninfo.
ü Manuales de los equipos de laboratorio seleccionados, Guías del
profesor, Lázaro, Manuel, “Problemas resueltos de instrumentación y medidas
electrónicas”, Paraninfo. Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica
moderna y técnicas de medición”, Prentice Hall.
ü Cooper, Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas
de medición”, Prentice Hall.
ü Buchla, David y Mc Lachlan, Wayne,
”Applied electronic instrumentation and measurement”, Macmillan publishing
company, New York.
ü
ü http://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica
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