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Termómetro digital




Enviado por swastica83



     

    1. Diseño del
      termómetro digital
    2. Características
      relevantes
    3. Material y equipo a
      emplear
    4. Desarrollo del termómetro
      digital
    5. Bibliografía

     

    INTRODUCCIÓN

    En el presente trabajo se explica el diseño
    y desarrollo
    para implementar un "termómetro digital" basado en el
    microcontrolador PIC16F84, fabricado por Microchip, el cual se
    programará en el lenguaje
    ensamblador del microcontrolador para el funcionamiento del
    proyecto.

    La importancia de realizar un termómetro digital es debido a que es muy
    fácil realizar medidas de la temperatura
    con un sistema de
    adquisición de datos, pero la
    realización de medidas de temperatura
    exactas y repetibles no es tan fácil.

    La temperatura es un factor de medida engañoso
    debido a su simplicidad. A menudo pensamos en ella como un simple
    número, pero en realidad es una estructura
    estadística cuya exactitud y repetitividad
    pueden verse afectadas por la masa térmica, el tiempo de medida,
    el ruido
    eléctrico y los algoritmos de
    medida.

    La temperatura es difícil de medir con exactitud
    aún en circunstancias óptimas, y en las condiciones
    de prueba en entornos reales es aún más
    difícil. Entendiendo las ventajas y los inconvenientes de
    los diversos enfoques que existen para medir la temperatura,
    resultará más fácil evitar los problemas y
    obtener mejores resultados.

    DISEÑO DEL
    TERMÓMETRO DIGITAL

    El termómetro digital será desarrollado de
    acuerdo al siguiente diagrama a
    bloques:

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    DESCRIPCIÓN:

    El sensor que se utilizará será el
    transistor
    LM35DZ modelo TO-92,
    el cual es un sensor de temperatura con buena precisión en
    escala Celsius.
    Éste dispositivo transforma la temperatura del ambiente en
    voltaje, del orden de mV.

    El LM35DZ entrega a la salida una resolución de
    10mV por cada grado centígrado.

    Empleándolo solo sin ninguna configuración
    en especial, el dispositivo presenta un rango de medición de 2 a 150°C, como se muestra a
    continuación:

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

     

    Esta configuración es la idónea para el
    proyecto pues
    solamente la utilizaremos para medir temperaturas hasta
    99°C.

    Este sensor es fabricado por Fairchild y National
    Semiconductor.

    La etapa de conversión se llevará a cabo
    mediante el convertidor analógico-digital (A / D) ADC0804,
    el cual es un convertidor A / D de 8 bits con salida en paralelo,
    debido a que es uno de los dispositivos más populares en
    aplicaciones de sistemas,
    además de estar bien documentado, pues existe gran
    cantidad de información en libros y en
    Internet para
    poderlo emplear en aplicaciones con microprocesadores, microcontroladores y PLD’s.

    Dicho convertidor utiliza el método de
    aproximaciones sucesivas para la conversión, que se
    describe brevemente a continuación:

    Los convertidores de aproximaciones sucesivas contienen
    un valor fijo en
    su tiempo de
    conversión que no depende del valor de la
    entrada analógica, la disposición básica es
    semejante a la de ADC de rampa digital, sin embargo, el
    convertidor de aproximaciones sucesivas no utiliza ningún
    contador para dar la entrada en el bloque del convertidor DAC,
    pero en cambio usa un
    registro con
    lógica
    de control que
    modifica el contenido del registro bit a
    bit hasta que los datos del
    registro son el equivalente digital de la entrada
    analógica.

    El tiempo de conversión de los convertidores de
    aproximaciones sucesivas de "n" bits requieren "n" ciclos de
    reloj para realizar su conversión sin importar la magnitud
    del voltaje que esta presente en su entrada, esto se debe a que
    los circuitos de
    control tienen
    que ensayar un 1 lógico en cada posición del bit
    para ver si se necesita o no, es por esto que los convertidores
    de aproximaciones sucesivas tienen tiempos de conversión
    muy rápidos, su uso en aplicaciones de sistemas con
    adquisición de datos permitirán que se adquieran
    mas valores de
    datos en un intervalo de tiempo dado.

    Esto puede ser muy importante cuando los datos
    analógicos cambian su valor rápidamente.

    Función de cada uno de los pines del
    convertidor:

    Pin

    Nombre

    Función

    Lógica

    1

    CS- Chip Select

    Habilita el chip

    I / 0

    2

    RD- Salida autorizada

    Lee la información

    I / 0

    3

    WR- Start conversion

    Iniciar conversión

    I / 0

    4

    CLKIN

    Entrada de reloj

     

    5

    INTR

    Indicador fin conversión

    I / 0

    6

    Vlts +

    Señal positiva
    analógica

    -0,3/16V

    7

    Vlts –

    Señal negativa
    analógica

    0

    8

    A GND

    Tierra analógica

    0

    9

    Vref/2

    1/2 máximo del Pin 6

     

    10

    D GND

    Tierra digital

     

    11/18

    DB7 a DB0

    Salidas digitales

    I / 0

    19

    CLK R

    Salidas reloj interno

     

    20

    Vcc

    Alimentación

    hasta 6,5V

    Este convertidor es fabricado por National
    Semiconductor.

    Este convertidor se empleará debido a que el
    sensor LM35DZ nos entrega la temperatura como voltaje y como el
    voltaje es una cantidad analógica, necesitamos convertirla
    a su equivalente en valor digital para poderla manejar, pues
    los valores
    digitales son cantidades discretas y por lo tanto es más
    fácil trabajar con ellas que con cantidades
    analógicas.

    El convertidor que utilizaremos presenta el siguiente
    diagrama de
    acuerdo a la colocación de sus pines descritos
    anteriormente:

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    Sus características más importantes
    son:

    • Posee dos entradas analógicas: VIN
      (+) y VIN (-), las cuales permiten tener entradas
      diferenciales. Es decir, el voltaje real de entrada
      VIN es la diferencia entre los voltajes aplicados en
      dichas terminales. En mediciones hechas en un solo punto, la
      entrada analógica se aplica en VIN(+)
      mientras que VIN(-) se conecta a la tierra
      analógica. Durante la operación normal, el
      convertidor utiliza VCC = +5 V como voltaje de
      referencia y la entrada analógica puede variar desde 0
      hasta 5 V, que es el valor de escala
      completa.
    • Convierte el voltaje analógico de entrada en
      una salida digital de ocho bits. La salida es de tres estados,
      lo que permite conectar al convertidor con facilidad en canales
      de datos. Con ocho bits la resolución es de 5V / 255 =
      19.6 mV.
    • Tiene un circuito de reloj interno que produce una
      frecuencia igual con f=1/(1.1RC), donde R y C son los valores
      de los componentes externos conectados al convertidor. Una
      frecuencia típica de reloj es de 606 kHz y se obtiene
      con R = 10kW y C = 150 pf. Si se
      desea también se puede conectar un reloj externo;
      éste se conecta a la terminal CLKIN del CI.
    • Al utilizar un frecuencia de 606 kHz, el tiempo de
      conversión es, aproximadamente, igual a 100m s.
    • Tiene conexiones a tierra por
      separado para los voltajes analógicos y digitales. La
      terminal ocho corresponde a la tierra
      analógica y se conecta al punto común como
      referencia en el circuito analógico que genera el
      voltaje analógico. La terminal diez es la tierra
      digital, que es la que utilizan todos los dispositivos
      digitales que integran al sistema.

    La interpretación de los datos obtenidos del
    convertidor A / D ADC0804 la realizará el microcontrolador
    PIC16F84, fabricado por Microchip.

    El PIC16F84 convertirá los valores del
    ADC0804 en valores equivalentes para la
    visualización.

    Como éste dispositivo es el que
    desarrollará el trabajo
    más importante de nuestro proyecto, pues de nada sirve
    tener el mejor sensor de temperatura ni el convertidor
    analógico digital más exacto sino contamos con un
    dispositivo que interprete los valores correctamente, se
    describirá brevemente a continuación al
    PIC16F84:

    Para las aplicaciones más habituales (casi un
    90%) la elección de una versión adecuada de PIC es
    la mejor solución; sin embargo, dado su carácter
    general, otras familias de microcontroladores son más eficaces en
    aplicaciones específicas, especialmente si en ellas
    predomina una característica concreta, que puede estar
    muy desarrollada en otra familia.

    Los detalles más importantes de la excelente
    acogida que tienen los PIC son los siguientes:

    • Sencillez de manejo: Tienen un juego de
      instrucciones reducido; 35 en la gama media.
    • Buena información, fácil de conseguir y
      económica.
    • Precio: Su coste es comparativamente inferior al de
      sus competidores.
    • Poseen una elevada velocidad de
      funcionamiento. Buen promedio de parámetros: velocidad,
      consumo,
      tamaño, alimentación,
      código compacto, etc.
    • Herramientas de desarrollo
      fáciles y baratas.
    • Existe una gran variedad de herramientas
      hardware que
      permiten grabar, depurar, borrar y comprobar el comportamiento de los PIC.
    • Diseño rápido.
    • La gran variedad de modelos de
      PIC permite elegir el que mejor responde a los requerimientos
      de la aplicación.

    Una de las razones del éxito
    de los PIC se basa en su utilización. Cuando se aprende a
    manejar uno de ellos, conociendo su arquitectura y su
    repertorio de instrucciones, es muy fácil emplear otro
    modelo.

    Características relevantes.

    Descripción de las características
    más representativas de los PIC:

    Arquitectura.

    La arquitectura del
    procesador sigue
    el modelo Harvard. En esta arquitectura, la CPU se conecta
    de forma independiente y con buses distintos con la memoria de
    instrucciones y con la de datos.

    La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder
    simultáneamente a las dos memorias.
    Además, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del
    sistema como se irán describiendo.

    Segmentación.

    Se aplica la técnica de segmentación ("pipe-line") en la
    ejecución de las instrucciones.

    La segmentación permite al procesador
    realizar al mismo tiempo la ejecución de una
    instrucción y la búsqueda del código
    de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada
    instrucción en un ciclo (un ciclo de instrucción
    equivale a cuatro ciclos de reloj).

    Las instrucciones de salto ocupan dos ciclos al no
    conocer la dirección de la siguiente
    instrucción hasta que no se haya completado la de
    bifurcación.

    Formato de las instrucciones.

    El formato de todas las instrucciones es de la misma
    longitud

    Todas las instrucciones de los microcontroladores de la
    gama baja tienen una longitud de 12 bits. Las de la gama media
    tienen 14 bits y más las de la gama alta. Esta
    característica es muy ventajosa en la optimización
    de la memoria de
    instrucciones y facilita enormemente la construcción de ensambladores y compiladores.

    Juego de instrucciones.

    Procesador RISC (Computador de
    Juego de
    Instrucciones Reducido).

    Los modelos de la
    gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones, 35 los
    de la gama media y casi 60 los de la alta.

    Todas las instrucciones son
    ortogonales

    Cualquier instrucción puede manejar cualquier
    elemento de la arquitectura como fuente o como
    destino.

    Arquitectura basada en un "banco de registros"

    Esto significa que todos los objetos del sistema
    (puertas de E/S, temporizadores, posiciones de memoria, etc.)
    están implementados físicamente como registros.

    Diversidad de modelos de microcontroladores con
    prestaciones y
    recursos
    diferentes

    La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC
    permite que el usuario pueda seleccionar el más
    conveniente para su proyecto.

    Herramientas de soporte potentes y
    económicas

    La empresa Microchip
    y otras que utilizan los PIC ponen a disposición de los
    usuarios numerosas herramientas
    para desarrollar hardware y software. Son muy abundantes
    los programadores, los simuladores software, los emuladores en
    tiempo real, Ensambladores, Compiladores C,
    Intérpretes y Compiladores BASIC, etc.

    La arquitectura Harvard y la técnica de
    segmentación son los principales recursos en los
    que se apoya el elevado rendimiento que caracteriza estos
    dispositivos programables, mejorando dos características
    esenciales:

    • Velocidad de ejecución.
    • Eficiencia en la compactación del
      código.

    Características del PIC16F84:

    • Memoria RAM de
      programa de
      1K con palabra de 14 bits tipo Flash.
    • Memoria EEPROM de datos con 68 registros de
      propósito general.
    • ALU de 8 bits.
    • 2 puertos de comunicación puerto A de 5 bits y puerto
      B de 8 bits.
    • Temporizador con preescaler.
    • Stack de 8 niveles.
    • Contador de programa de 13
      bits.

     

    Para la visualización de la temperatura se
    empleará un display de cristal líquido (LCD) de 2
    líneas por 16 caracteres (ks0066u), el cual será
    conectado a la salida del puerto B del PIC16F84A para enviarle a
    éste los datos a visualizar, siendo éstos los
    equivalentes a números decimales de la palabra digital
    obtenida del ADC y por el puerto A se enviarán las
    señales para controlar el dispositivo.

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción ¨Bajar trabajo¨ del menú
    superior

    MATERIAL Y
    EQUIPO A EMPLEAR:

    • 1 PROTOBOARD
    • PIC16F84A
    • SENSOR LM35DZ
    • ADC0804
    • CRISTAL DE 4Mhz
    • DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO DE 2 X
      16
    • 2 CAPACITORES CERÁMICOS DE
      27pf
    • CAPACITOR CERÁMICO DE 150pf
    • 2 POTENCIÓMETROS DE PRESICIÓN DE
      10KW
    • RESISTENCIA DE 10KW A
      ¼ DE WATT
    • FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE
      5V
    • CABLE TELEFÓNICO
    • PINZAS DE PUNTA Y CORTE
    • MULTIMETRO DIGITAL
    • FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADA DE
      5V

    DESARROLLO DEL
    TERMÓMETRO DIGITAL

    Inicialmente se tiene que considerar la manera como
    funciona el sensor LM35, que como anteriormente se
    mencionó, nos entrega a la salida 10mV por cada grado
    centígrado.

    Como la salida del sensor es en mV dicha salida se
    convertirá en una cantidad digital para facilitar su
    manejo. Para esto se empleará el ADC0804.

    Para la conversión analógico –
    digital el ADC0804 se manipulará de la siguiente
    manera:

    1.- Se habilita el CAD mediante un pulso bajo aplicado a
    la terminal de CS, para que se inicie la
    conversión.

    2.- Se habilita la terminal (pulso bajo) denominada WR
    para que inicie el proceso de
    conversión, para esto se debe esperar 100m s aproximadamente para que se lleve a cabo la
    conversión.

    3.- Se habilita la terminal (pulso bajo) denominada RD
    para que a la salida se tenga el resultado de la
    conversión.

    4.- Finalmente se deshabilita el convertidor.

    Lo anterior se observa en el siguiente
    diagrama:

     

    El voltaje de referencia que se manejará en el
    convertidor se calcula de la siguiente manera:

    Como el LM35 nos entrega a la salida 10mV/°C y la
    máxima temperatura que puede detectar es de 150 °C, se
    tiene que 10mV x 150 = 1.5V, el cual es el máximo voltaje
    que nos puede entregar, entonces, en base a este voltaje como es
    el máximo será el voltaje de referencia.

    Pero como el ADC maneja en su entrada VREF/2
    el voltaje de referencia será de 0.75 V.

    La corriente que se manejará en dicho voltaje de
    referencia será de 1mA y el voltaje se obtendrá de
    VCC= 5V mediante un divisor de
    tensión:

     

    La resistencia total
    del divisor se calcula:

    Rt = VCC /
    Ideseada

    Rt = 5V / 1mA = 2.5 kW

    El factor que se manejará para poder calcular
    R1 y R2 del divisor de tensión se calcula:

    Vdeseado/ Vtotal =
    0.75V / 5V = 0.15

    Una vez obtenido el factor se procede a calcular el
    valor de los resistores:

    R1 = 0.15 * 2.5kW = 375W

    R2 = 2.5kW –
    375W = 2125W

    Ahora se comprobará si los valores son
    correctos:

    Vref = (375W /375W
    +2125W ) * 5V = 0.75
    V

    Que es el voltaje que se necesita para ajustar los pasos
    del convertidor a escala completa.

    En lo que respecta al PIC16F84A el programa, para leer
    el CAD; interpretar el valor de la conversión y la
    visualización de la misma, se desarrolló el
    programa de conforme al siguiente diagrama de bloques:

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción ¨Bajar trabajo¨ del menú
    superior

    Diagrama del termómetro:

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción ¨Bajar trabajo¨ del menú
    superior

    BIBLIOGRAFÍA

    • Microcontroladores PIC, Diseño práctico de
      aplicaciones

    José Ma. Ángulo Usategui, Ignacio
    Ángulo Martínez

    2da. edición

    Editorial Mc Graw Hill

    Págs. 29,30

    1999

     

    José Luis Rayon

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