Resumen -se presenta una solución sencilla a un problema de investigación que ha surgió en la Universidad Nacional de Colombia; el cual consta de realizar una extensa medición del ambiente de la ciudad de Bogotá,




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fecha de publicación30.12.2015
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tipoResumen
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Proyecto Monitoreo de Temperatura, Asociación: Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería Química”



Daniel M. Vargas Corredor, 285750 // G11NL41 “Ingeniería Mecatrónica”

Stephanie Segura Cano, 174615 // G10NL38 “Ingeniería Química”

Felipe Castañeda Prieto, 285728 // G11NL07 “Ingeniería Mecatrónica”

Eliana Castiblanco Beltrán, 174566 // G10NL43 “Ingeniería Química”



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Proyecto Para El Monitoreo De La Temperatura En la Ciudad De Bogotá 2011



Resumen—Se presenta una solución sencilla a un problema de investigación que ha surgió en la Universidad Nacional de Colombia; el cual consta de realizar una extensa medición del ambiente de la ciudad de Bogotá, mas específicamente la medición de la temperatura como base clave del sensor del circuito que se plantea.
El documento contiene información importante de como se abordo el problema propuesto y la manera de solucionarlo, para ello se utiliza un circuito con ciertos elementos que son especificados en el articulo. Además del circuito es necesario mencionar que se desarrolla un software compatible, para que de esta forma puedan ser analizados los datos obtenidos del sensor.
Índices— Arduino, Circuito, Dispositivo, Medición, Micro-controlador, Programación, Sensor, Software, Temperatura, Termocupla.

[1]Nomenclatura





  • [V]: Voltaje, Expresado en Voltios.

  • [A]: Corriente, Expresado en Amperios.

  • [mV] o [mA]: Milésima división de las cantidades en Voltios o Amperios.

  • [µ]: Micro, Unidad 10-6 de la unidad estándar.

  • [n]: Nano, Unidad 10-9 de la unidad estándar.

  • [Ω]: Unidad estándar de resistividad expresada en Ohm.

  • R: Resistencia Eléctrica

  • C: Capacitancia Eléctrica

  • USB: Universal Serie Bus, puerto con el cual se conectan los periféricos al servidor.


[2]Introducción



Se presenta una propuesta a la solución de un problema de ingeniería que busca, realizar un estudio sobre la temperatura en todo Bogotá, por medio de una serie de dispositivos electrónicos ubicados en distintas zonas de la ciudad, así de esta forma se tendrán mediciones tomadas por los diversos dispositivos dispersos en Bogotá y con estas poder tener una noción mas clara de como es la distribución de temperatura en todo el territorio.
Estos dispositivos serán provistos por distintos grupos de trabajo, solucionando individualmente las diferentes complicaciones que se puedan presentar con respecto a la toma de datos.

[3]Preparación del Trabajo Técnico



Para analizar la efectividad del dispositivo a diseñar y confirmar su buen funcionamiento, se contextualizara con otras ideas propuestas para la resolución del mismo problema pero que fueron descartadas por diversas razone que hay que tener en cuenta.

A. Solución Utilizando Termocupla



Principalmente se pensó en utilizar un dispositivo de control de temperatura restringido a voltaje como lo es la Termocupla, siendo este un sensor de temperatura que lee, el cambio de temperatura con respecto a una referencia previamente programada en el mismo; la temperatura que detecta este elemento, la interpreta como una diferencia de potencial entre los terminales de salida; siendo este voltaje un valor muy pequeño.
Hay 7 tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standardg (NBS), cada tipo con su respectiva tabla de correlación de temperatura con el voltaje que se interpreta en sus terminales1.
Para propósitos del proyecto solo se tiene en cuenta uno de los tipos de la termocupla que es el tipo T, este es el tipo de termocupla cuyo rango es el de mas baja temperatura, su medición esta dada entre -250 y 400 °C y se utilizaría una de ellas de clase 3(Tabla: 1).


Termocupla

Cobre Constantan Tipo T

Rango de Medición (°C)

(-40, 350)

(-40, 350)

(-200,40)


Error

Clase 1

± 0,5 °C

± 0,4 %







Clase 2




± 1,0 °C

± 0,75 %




Clase 3







± 1,0 °C

± 1,5 %

Tabla 1: Rango de medición de la Termocupla tipo T, con sus respectivos errores de medida.
Con esto se puede decir que la termocupla es una buena opción hasta el momento, debido a que su error de medida es muy bajo; ahora solo falta saber como funciona este dispositivo y la equivalencia del voltaje con respecto a cada temperatura que capte la termocupla.
Primero, la termocupla funciona como cualquier otro dispositivo de circuitos. Esta tiene dos terminales conectadas a un sensor que será el que mide la temperatura deseada (fig: 1), estos terminales se conectan a un circuito integrado para que lea el voltaje correspondiente y de esta forma con un software adecuado analizar los datos.


Fig: 1, Termocupla tipo T con los dos terminales definidos según su polaridad
Para poder analizar los datos y convertirlos a temperatura después de ser leídos como voltajes, se debe saber la relación de temperatura con respecto a la diferencia de potencial que se encuentra en los terminales del dispositivo. Para la termocupla tipo T por cada 0,5 °C se lee un voltaje de 0,004 V o 4mV.
Se tiene que el voltaje de la termocupla es muy pequeño y debido a esto se puede presentar un error muy alto por el efecto que produce la resistencia de los cables que van conectados a las dos terminales, es decir si la termocupla lee un voltaje de 10mV, el software puede llegar a tomar un voltaje de 6mV dado que 4mV quedaron en la resistencia que presenta el cable por pequeña que sea.
Para solucionar esta problemática se debe conectar un amplificador operacional ya sea inversor o no inversor a las terminales de la termocupla para que de esta forma, la lectura del software sea mas exacta y no se encuentre un error como este (fig: 2).


Fig 2: Termocupla conectada a un amplificador operacional inversor.
Ya con este diseño se soluciona la problemática que se tenía con respecto al error de la medición, ahora solo queda un aspecto importante y es el rango de la medición que tiene la termocupla.
Debido a que el rango de medición de la termocupla esta variando entre -200 y 40 °C la precisión en la toma de la medida en el ambiente puede no ser muy efectiva, ya que para que varié su voltaje debe ser expuesta a cambios muy grandes de temperatura y en el ambiente no se pueden dar este tipo de variaciones.
Por tal motivo un sensor de temperatura que se utiliza para mediciones en hornos y demás maquinaria utilizada en la industria, no seria viable para un sensor de temperatura en el ambiente debido a que esta medida no varia en una gran proporción como para tener una buena efectividad en la toma de los datos; suponiendo estos ya se puede decir que esta opción se puede descartar.

B. Solución Utilizando PIC 16f877A y Sensor de temperatura LM35



Como el sensor de temperatura denominado como termocupla, no fue lo suficientemente efectivo para el diseño adecuado del dispositivo; se tiene en consideración una solución alternativa que es utilizando otro tipo de sensor mas sensible al ambiente, como lo es el sensor LM35.
Aparte del sensor LM35 se utiliza un PIC 16f877A para que lea los datos tomados del sensor y de esta forma poder analizar las temperaturas tomadas por el dispositivo.
Para la sección de analizar los datos y poder visualizarlos se utilizara primeramente una pantalla LCD y un código diseñado en MikroC para que la pantalla, pueda mostrar los distintos datos.
Sabiendo ahora los elementos necesarios para la elaboración del dispositivo, es necesario conocer las distintas características de cada uno de los elementos con los cuales se elaborará el proyecto.


  1. Sensor de Temperatura LM35




Fig 3: Sensor de Temperatura LM35
El dispositivo LM35 es un simple pero preciso medidor de temperatura que es muy utilizado para la medición de ambientes controlados que necesitan ser monitoreados constantemente, como por ejemplo para cultivos y experimentos ambientales; debido a esto, este elemento es el mas conveniente para medir la temperatura en Bogotá y teniendo la confiabilidad de que el sensor tiene una aceptación muy buena en la industria de la investigación.
Este sensor funciona de una manera similar que la termocupla anteriormente mencionada; el LM35 tiene una diferencia de potencial linealmente proporcional a la temperatura medida en grados Celsius (°C), El LM35 no requiere de ninguna calibración previa para proporcionar una precisión de ± 0,25°C a temperatura ambiente y precisión de ± 0,75°C entre el rango de temperatura de -55 y +150°C.


Fig 4: Conexión LM35 y equivalencia de mV vs °C
Una de las ventajas más destacadas del dispositivo LM35 es su bajo precio, ya que este varía entre los $2.500 y $3.500 pesos colombianos, siendo un elemento que es sumamente viable tanto económica como funcionalmente.
La equivalencia del LM35 que va a ser utilizado esta expresado en una escala lineal con factor de escala de 10 mV/ °C, operando entre los 4 y 30 Voltios [V]; es decir que, por cada 1°C el sensor presenta un potencial de 10mV entre los terminales de salida del LM35.


  1. PIC 16f877A


El PIC 16f877XA es un dispositivo que se utiliza en la ingeniería electrónica y mecatrónica para controlar una entrada de datos análogos, para de esta forma convertirlos en datos manipulables ya sea para visualizar o para analizar con un software adecuado.


Fig 5: Diagrama de conexiones para el PIC 16F877A
En un principio se utilizara el PIC para transferir los datos a una pantalla de LCD y se programara debidamente para que la salida digital sea la mas adecuada dependiendo del sensor LM35 y tenga la precisión que se debe al transferir los datos a la pantalla.


Key Features

PIC16F877A

Operating Frequency

DC – 20MHz

Resets (and Delays) POR, BOR

POR, BOR

(PWRT, OST)

Flash Program Memory

(14-bit words)

8K

Data Memory (bytes)

368

EEPROM Data Memory (bytes)

256

Interrupts

15

I/O Ports

Ports A, B, C, D, E

Timers

3

Capture/Compare/PWM modules

2

Serial Communications

MSSP, USART

Parallel Communications

PSP

10-bit Analog-to-Digital Module

8 Input Channels

Analog Comparators

2

Instruction Set

35 Instructions

Packages



40-pin PDIP
44-pin PLCC
44-pin TQFP

44-pin QFN

Tabla 2: Especificaciones del Dispositivo PIC 16F877A
El PIC fundamentalmente funciona con corriente directa, por lo que se debe utilizar un regulador y un rectificador que cambie la Corriente Alterna (CA) a Corriente Directa (CD) para que la sinusoide de la tensión no vaya a causar daños en el dispositivo, el PIC tiene una memoria de 8Kbytes, para que pueda ser programado sin restringirse en código, este dispositivo, puede ser utilizado fácilmente si se tiene la percepción de sus conexiones y la forma de programarlo para la aplicación que se requiera.


  1. Pantalla LCD


Como se ha mencionado anteriormente, se utilizará una pantalla LCD (Liquid Crystal Display), o pantalla de Cristal Liquido, la cual es la tecnología mas usada en los monitores de los computadores de la actualidad y en muchos otros electrodomésticos como televisores, cámaras y demás elementos que manejen un entorno visual asistido por software; estas pantallas están integradas por diminutos puntos que les permiten tener una resolución muy alta con una nitidez muy clara.
La pantalla LCD posee dos capas de material polarizante las cuales entre ellas tienen un cristal líquido y una señal eléctrica que hace que los cristales se alineen de tal manera que impidan el paso de la luz.
Se eligió la pantalla LCD ya que es la que es más fácil de manipular, y también es la que mejor resolución tiene para una visualización correcta de los datos que van a ser transferidos por el PIC.


  1. Código de monitoreo


Finalmente el código de monitoreo, se manejará en un software de implementación creado con un código en MikroC; y que de esta forma se pueda leer la lectura correspondiente información suministrada por el PIC, el código, se manejara en lenguaje de C++, ya que es el mas aplicable y uno de los cuales son mas manejados en aplicaciones como estas.
El código también controlará la pantalla LCD para que así, esta permita visualizar la temperatura que se registro en el ambiente correspondiente donde se ubica el monitor de temperatura.



Fig. 6: Código realizado en MikroC
Con este código se podrá controlar básicamente todo el hardware que esta presente en el monitor de temperatura, por lo tanto un error en el código puede hacer que todo el sistema colapse.
Diseño Conceptual Del Monitor De Temperatura
Para la implementación adecuada de los elementos anteriores y que su funcionamiento en el dispositivo sea el deseado, se debe realizar un esquema de circuitos para poder verificar las salidas y entradas, tanto de corriente, temperatura y tensión a las cuales es sometido el circuito.
Después de tener la noción de como conectar los elementos se procede a realizar un circuito esquemático con cada uno de los elementos con los que se va a diseñar y construir el dispositivo; esto primeramente para poder simular la reacción del circuito y su respuesta con respecto a la temperatura presentada en el ambiente.
Para tal análisis se utiliza el paquete de software para el diseño y simulación de circuitos eléctricos, llamado PROTEUS 7, más específicamente la aplicación ISIS la cual consta de una amplia librería de elementos de circuitos para ser utilizados en los circuitos esquemáticos.
Primero se comienza por ubicar cada uno de los elementos de circuito para insertarlos en la superficie del esquema; primero se inserta el LM35 y el PIC16F877A los cuales son los mas importantes; luego se utiliza la pantalla LCD para que sea conectada al PIC y un par de resistencias para mantener calibrado el sensor.



Fig. 7: Circuito esquemático del sensor diseñado en Proteus.
Como se ve en la figura 7, la relación de pines en las conexiones con el PIC y la pantalla de LCD es muy específica aunque no se utilicen todas las conexiones, sino solamente los necesarios; se utilizan dos resistencias de 100Ω y 10kΩ respectivamente.
Ahora, ya que se tiene el esquema adecuado conectado correctamente, se procede a elaborar la simulación correspondiente; para ello se tiene que crear el código primeramente para que funcione correctamente el micro-controlador (PIC), para ello se utiliza MikroC, un software para desarrollar código y transcribirlo en un archivo hexadecimal (.hex) para que de esta forma pueda ser interpretado por el PIC.
Con el código desarrollado se puede seguir con la simulación específica, y verificar que el dispositivo esta funcionando adecuadamente, según las figuras 8 y 9, donde se muestran algunas fases de la simulación.


Fig. 8: Pantalla LCD iniciando funcionamiento.
En este caso se muestra la pantalla LCD con sus distintos valores de tipo String (cadena de caracteres) que son mostrados debido al código diseñado para el micro-controlador.




Fig. 9: Simulación en ejecución del monitor de temperatura.
Con esto se puede observar que el funcionamiento del monitor de temperatura es el adecuado y que dependiendo de la temperatura registrada por el sensor LM35 se dará la diferencia de potencial que entrará al circuito y procesara los datos.



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[4]Apéndice

[5]Agradecimientos

[6]Referencias


[7]William H. Hayt, JR. – Jack E. Kemmerly “Engineering Circuit Analysis”, INTERNATIONAL STUDENT EDITION 1962
[8]Dorf R. & Svoboda J, “Circuitos eléctricos”, Sexta Edición, México, 2006
[9]Boylestad Roberto L., "Análisis introductorio de circuitos", Octava Edición, Pretince Hall 1997

[10]Biografías


.




1 Fragmento Original sobre termocuplas, tomado de http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termocuplas.html.

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