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• Emmanuel Santiago Hernandez

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Reporte proyecto final Metrolog´ıa y transductores Huajuapan de Le´on, Oaxaca, 13 de Febrero del 2015

˜ Acondicionamiento y procesamiento de la senal. Aguilar Mendoza Karen Cinthya, L´opez Carrasco Iv´an, Rodr´ıguez Mart´ınez On´esimo. Ingenier´ıa en F´ısica Aplicada. Universidad Tecn´ologica de la Mixteca, UTM, Huajuapan de le´on, Oaxaca. Resumen – En el desarrolo de e´ ste proyecto se hizo uso de los conocimientos adquiridos durante el curso para registrar variaciones de temperatura y mostrarlas de manera gr´afica. Para e´ sto se requirio acondicionar la senal ˜ de salida de un sensor de temperatura y procesar esta informaci´on tras enviarla por puerto serie a la computadora.

Keywords – Acondicionamiento, convertidor anal´ogo-digital, procesacimiento, sensor, temperatura.

´ I. INTRODUCCION Las aplicaciones de la electr´onica, presentes actualmente en innumerables aspectos de nuestra vida cotidiana, no ser´ıan posibles sin los sensores. La utilizaci´on de sensores es indispensable en la automatizaci´on de procesos y manufacturas, incluida la rob´otica, la ingenier´ıa experimental, la industria automotriz, electrodom´esticos, etc. Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energ´ıa del medio donde se mide, proporciona una se˜nal de salida que es funci´on de la variable medida. Los acondicionamientos de se˜nal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la se˜nal de salida de un sensor electr´onico, una se˜nal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento est´andar. Consisten normalmente entre otras funciones, las siguientes: amplificaci´on, filtrado, adaptaci´on de impedancias y modulaci´on o demodulaci´on. Si se considera el caso en que una de las etapas de tratamiento de la se˜nal de medida es digital, y la salida del sensor es anal´ogica, que es lo m´as frecuente, har´a falta un convertidor Analogo Digital. Estos tienen una impedancia de entrada limitada, exigen que la se˜nal aplicada sea continua o de frecuencia de variaci´on lenta, y que su amplitud est´e entre unos l´ımites determinados, que no suelen exceder de 10V, e´ stos son dispositivos electr´onicos que establecen una relaci´on biun´ıvoca entre el valor de la se˜nal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. La relaci´on se establece en la mayor´ıa de los casos, con la ayuda de una tensi´on de referencia. [1] El fundamento de numerosos m´odulos para acondicionamiento de se˜nal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o m´as, y est´a disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada inversora (-) y entrada no inversora (+). La salida depende de c´omo se hagan las conexiones

de estas entradas. Adem´as de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentaci´on de voltaje negativo, una alimentaci´on de voltaje positivo y dos entradas conocidas como nulo del voltaje de desv´ıo, cuyo prop´osito es activar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador. [2] El LM35 (vease figura 1) es un sensor de temperatura con una precisi´on calibrada de 1◦ C. Su rango de medici´on abarca desde−55◦ C hasta 150◦ C. La salida es lineal y cada grado cent´ıgrado equivale a 10mV. Entre sus principales caracter´ısticas estan la baja impedancia de salida y la baja corriente de alimentaci´on, ademas de que no necesita circuitos adicionales para su calibraci´on.

Figura 1. Sensor LM35

La lauchpad en una herramienta de programador y depuraci´on f´acil de usar. El msp430 son una familia de microcontroladores de ultra-bajo consumo de corriente que consta de varios dispositivos que cuentan con diferentes conjuntos de perif´ericos dirigidos para varias aplicaciones. La arquitectura combinada con 5 modos de bajo consumo es optimizado para lograr la extinci´on de vida de la bater´ıa en aplicaciones de medici´on port´atil.[3]. El dispositivo cuenta con una poderosa CPU RISC de 16 bits, registros de 16 bits, y los generadores de constantes que contribuyen a la m´axima eficiencia de c´odigo. Un microcontrolador MSP430 puede caracterizarse por;Bajo voltaje de funcionamiento (de 1,8 V a 3,6 V), Dispositivos anal´ogicos en el chip: 10/12/16-bits convertidor anal´ogico a digital (ADC)[4].

Vf 2 − Vf 1 V02 − V01

(3)

3,3 − 0 = 2,75 1,2 − 0

(6)

m= Se quiere Vf 1 (0) = 0V (4) y Vf 2 (120) = 3,3V (5) entoces la pendiente es: Figura 2. Configuracion de pines del Microcontrolador MSP430G2553

m=

Como la recta pasa por el origen, la intersecci´on es en y = 0 =⇒ b = 0 Reemplazando los valores de m y b en la ecuaci´on de la recta :

II. DESARROLLO Para el desarroo de e´ ste proyecto se requiri´o de Sensor LM35 • Fuente de voltaje • Protoboard • Resistencias de 1y 1.8KΩ • Amplificador operacional TL082 • LaunchPad MSP430 • Hielo y encendedor • Cables Dupons y cables con caim´ an. • Mult´ımetro

V0 = 2,75Vs

•

donde V0 es el voltaje de salida que se desea. Vs es el voltaje de salida del sensor. Se desea amplificar la se˜nal de salida del sensor en un factor de 2.75, por lo cual se hizo uso de la configuraci´on no inversora del amplificador operacional , es decir, con ganancia de 2.75. Para obtener los valores de las resistencias a utilizar se utiliz´o la siguiente expresi´on 2,75 = 1 +

A. Acondicionamiento de la se˜nal El sensor LM35 nos proporciona un voltaje de salida proporcional a la temperatura dado por: V0 = 10mV /◦ T

(1)

Debido a que el voltaje de salida es muy peque˜no, se realiz´o el acondicionamiento de e´ sta se˜nal por medio del amplificador operacional TL082, de tal forma que al percibir el sensor una temperatura de 0o C se tenga un voltaje de 0V y al percibir 120o C se tenga a la salida un voltaje de 3.3 V. Como se puede observar en la figura 2 la relaci´on entre el voltaje de salida del sensor y el deseado es lineal, por lo tanto se cacul´o a ecuaci´on de la linea recta que describe esta relaci´on. Sabemos que la ecuaci´on de la recta es : y = mx + b

(7)

(2)

Para e´ ste caso, y = V0 , x = Vs . De la ecuaci´on 1se obtiene que el voltaje a la salida del sensor es: Vs1 (0◦ C)=0 Vs2 (120◦ C) = 1,2V Para calcular la pendiente de la recta :

Rf Ri

(8)

fijando Ri en 1KΩ y despejando Rf de la expresi´on anterior, tenemos que: Rf = (Ri ) ∗ (2,5 − 1) (9) obteniendo un valor de Rf = 1.75KΩ1,8KΩ. Obtenidos e´ stos valores, se arm´o en el laboratorio de robotica el circuito mostrado en la figura3, configurando la fuente de voltaje como fuente simetrica para alimentar el OPAM, con un voltaje de +12 y -12 V, el sensor se aliment´o con +5V. B. Procesamiento de la se˜nal Con ayuda del sowtware Energ´ıa se programa el microcontrolador MSP430 que corresponde a la launchpad (ver apendice A), realizando e´ ste la tarea de convertidor analogo digital y de comunicaci´on por puerte serie. La salida del acondicionamiento de la se˜nal, a trav´es del amplificador operacional, se conecta al pin P 1 0 de la launchpad para llevar a cabo la segunda etapa de acondicionamiento y procesamiento de la se˜nal. Con ayuda de MATLAB se realiz´o un c´odigo de comunicaci´on por puerto serie(ver apendice B), e´ ste recibe los datos que son enviados al puerto serie de la computadora con el que se encuentra conectado la launchpad, realiza la conversion a temperatura y muestra e´ stos datos de forma gr´afica.

IV. CONCLUSIONES

Figura 3. Circuito de acondicionamiento del sensor LM35

III. RESULTADOS

En la figura 4 se puede observar la gr´afica de temperatura percibida por el sensor vs tiempo, al tiempo 0 de la gr´afica se expone el sensor a temperatura ambiente, el sowftware comienzan a registrar los datos de e´ sta temperatura, enseguida se coloc´o el sensor en hielos para reducir la temperatura percibida (tiempo dos al diez); los picos que se observan en este rango de tiempo se deben a que el sensor se aleja de los hielos, cuando se logra llegar a un m´ınimo de temperatura de 3◦ C, que es la temperatura a la que se encuentra el hielo, se permanece ahi por un instante. Ya estabilizada la gr´afica en e´ sta temperatura, el sensor se retira de los hielos y en la figura se puede observar el cambio que realiza de forma exponencial hasta llegar a la temperatura ambiente en ese momento, que fue aproximadamente 26◦ C. Cuando esta temperatura se present´o de manera constante se acerc´o el sensor a un encendedor, que produjo una flama amarilla de aproximadamente 100◦ C. El sensor percibi´o r´apidamente el cambio de temperatura, esto es evidente al observar la imagen en los u´ ltimos segundos registrados.

Figura 4. Gr´afica de temperatura vs Tiempo

De estos resultados puede observarse que el sensor es sensible ante los cambios de temperatura en peque˜nos lapsos de tiempo.

El acondicionamiento de una se˜nal analogica es de grann de grana utilidad debido a que se implementan en los circuitos electr´onicos que tienen una baja se˜nal de salida, de tal manera que se pueda tener una mejor se˜nal proporcional a la que se esta recibiendo desde el sensor. Este acondicionamiento se realiza en base a las exigencias del convertidor anal´ogo digital que se requiera utilizar, con el pr´oposito de digitalizar e´ sta se˜nal y analizarlas para diferentes objetivos. Mediante la realizaci´on de e´ ste proyecto se cumple con el objetivo de transformar una se˜nal anal´ogica a digital y comunicarla por puerto serie con la computadora para representar las mediciones de temperatura de forma gr´afica. La importancia del este proceso de acondicionar, convertir y analizar una se˜nal analogica radica en que el medio que nos rodea es anal´ogico, y al realizar lo antes mencionado se pueden automatizar algunos procesos. Referencias [1] Ram´on Pall´as Areny; Sensores y Acondicionadores de se˜nal;Marcombo,S,A. 4 edit. [2] Boylestad, Nashelsky.Electr´onica: teor´ıa de circuitos y despositivos electr´onicos.Pearson. [3] http://www.ti.com/tool/msp-exp430g2. [4] http://www.ti.com/product/msp430g2553.

V. APENDICES A. Apendice A C´odigo para el convertidor anal´ogo digital y comunicaci´on por piuerto serie. Programa utilizado para la LuchPad void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); pinMode(P1 1, INPUT); } void loop() { int a; al=int((float(analogRead(P1 1))/float(1024))*16); P2OUT=a; } Serial.println(analogRead(P1 0)*(0.1171875)); delay(100); }

B. Apendice B C´odigo en MATLAB. % borrar previos delete(instrfind(’Port’,’COM18’)); % crear objeto serie

s=serial(’COM18’,’BaudRate’,9600,’Terminator’,’CR/LF’); warning(’off’,’MATLAB:serial:fscanf:unsuccessfulRead’); % abrir puerto fopen(s); % par´ametros de medidas tmax = 500; % tiempo de captura en s rate =50; % resultado experimental (comprobar) % Relacion aproximadamente buena, 10 segunds ..> 43.9 de rate % preparar la figura f = figure(’Name’,’Captura’); a = axes(’XLim’,[0 60],’YLim’,[0 120]); l1 = line(nan,nan,’Color’,’r’,’LineWidth’,2); % l2 = line(nan,nan,’Color’,’b’,’LineWidth’,2); xlabel(’Tiempo (s)’) ylabel(’Temperatura (C)’) title(’Captura de temperaturas con la lauchpad’) grid on hold on % inicializar v1 = zeros(1,tmax*rate); v2 = zeros(1,tmax*rate); i = 1; t = 0; % ejecutar bucle cronometrado tic while t