Estación Ambiental utilizando Microchip PIC16C74

Descripción detalla de la creación de una estación ambiental, utilizando como base un microcontrolador microchip PIC16C74.

lunes, abril 17, 2006

7.2.1 Circuito utilizado en la implementación del sensor de Intensidad Solar

EL circuito se fundamenta en la propiedad de las Fotorresistencias al disminuir su valor nominal al aumentar la luz incidente sobre ella. Con un simple divisor de tensión podemos determinar la luz incidente. El circuito básico para este dispositivo se muestra en la fig. 9:




El circuito es un divisor de tensión que con una gran Intensidad de luz incidente sobre la Fotoresistencias en la salida al PIC dejará pasar máximo 2.5 voltios y con una menor Intensidad de luz (a medida que disminuye la luz aumenta la resistencia) el voltaje empieza a decaer hasta ser casi cero.
El circuito implementado se muestra en la fig. 10:


Figura 10

7.2 Sensor de Intensidad Solar

La energía radiante tiene tres características: matiz o tono, saturación y brillo. Las dos primeras son las que hacen referencia al aspecto cualitativo de la radiación. El tema al que se hará referencia es al brillo o a la Intensidad de luz.

La fotometría es la parte de la física que trata de la medida de la luz en su aspecto cuantitativo considerando dos factores, uno objetivo (el espectro visible) y otro subjetivo (el ojo).

La visión fotópica para iluminaciones normales o fuertes y la escotópica para iluminaciones bajas. Este hecho es debido que a iguales cantidades de flujo luminoso de distintas longitudes de onda, no se produce la misma sensación de brillo, así por ejemplo, para igual flujo radiante se obtiene una mayor sensación de brillo para el amarillo - verde que en los extremos del rojo - violeta.

Todos los cálculos realizados en televisión en color, se hacen sobre la curva de sensibilidad fotópica, a la cual se le denomina curva patrón de luminosidad. Con la ayuda de esta curva, cualquier flujo radiante puede ser evaluado en términos de su capacidad para producir brillo.

Un manantial luminoso es cualquier cuerpo que radia energía, ahora bien, no toda la energía que radia es considerada energía luminosa, que es aquella que percibimos con el sentido de la vista, sino que parte de esa energía se transforma en calor y radiaciones no visibles, así que parte de esa energía emitida por un manantial no es energía visible. Las radiaciones luminosas provienen pues del calentamiento de un determinado material a consecuencia de la cual irradia energía.
La energía luminosa radiada por una fuente en una unidad de tiempo recibe el nombre de Flujo luminoso. Su unidad es el lumen.

¿Qué es un Fotómetro?

Un fotómetro es un instrumento que nos permite medir la Intensidad de luz que hay en una escena. En la actualidad la mayoría de los fotómetros utilizan una célula fotoeléctrica, la variación de la corriente eléctrica a la que da lugar la incidencia de la luz sobre la fotocélula es recogida por un microamperímetro, en cuya escala podemos ver las lecturas pertinentes.

Células Fotoeléctricas:

Son dispositivos electrónicos cuyo principio es basado en el efecto fotoeléctrico. En su forma más simple, se compone de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación. Las células fotoeléctricas pueden estar vacías o llenas de un gas inerte a baja presión para obtener una mayor sensibilidad. Una variante de la célula fotoeléctrica, el fototubo multiplicador o fotomultiplicador, consiste en una serie de placas metálicas dispuestas de forma que la emisión fotoeléctrica se amplifica mediante una emisión eléctrica secundaria. El fototubo multiplicador es capaz de detectar radiaciones extremadamente débiles, por lo que es una herramienta esencial en el área de la investigación nuclear.

Las células fotoeléctricas se emplean en paneles solares, alarmas antirrobo, semáforos de tráfico, puertas automáticas, detección de calor, alumbrado público, cámaras fotográficas, grabación de sonido, televisión, contadores de centelleos entre muchas otras más.

Existen dos tipos diferentes de células fotoeléctricas:
Fotogeneradoras.- En este tipo de célula cuando incide luz sobre ella genera una pequeña corriente eléctrica, que es proporcional a la luz incidente. Los fotómetros que utilizan esta célula no llevan fuentes de voltaje.
Fotorresistentes.- Cuando la luz incide sobre este tipo de célula, varía su resistencia eléctrica, proporcionalmente a la luz incidente. Es necesaria la utilización de una fuente de voltaje que genere la corriente eléctrica necesaria.

Tipos de Celdas

Selenio (Se): Es una célula fotogeneradora. Tiene respuesta lenta y sensibilidad escasa, por lo que la célula tiene que ser bastante grande. Si el nivel de luz es bajo su exactitud es limitada. Tiene buena respuesta al verde - amarillo y a las radiaciones azules. El ángulo de medición es bastante grande.

Sulfuro de Cadmio (Cds): Es Fotorresistente. Es muy sensible y de respuesta más rápida que la de selenio. Su sensibilidad espectral es uniforme excepto hacia el azul en que es más deficiente. Puede sufrir deslumbramientos que impiden que la célula reaccione en un par de minutos. Su ángulo de medición puede ser muy pequeño.

Silicio(Si): Es parecida a la de cadmio pero tiene una sensibilidad y velocidad de respuesta mayor y una mejor respuesta en los azules. No tiene el inconveniente del deslumbramiento.

Galio–Arsénico–Fósforo: Es del tipo Fotorresistente, es mucho más sensible que las anteriores, consume poca energía y no sufre deslumbramiento.

En el presente proyecto se utilizará Fotoresistencias del tipo Silicio, que son muy comerciales en nuestro medio.

7.1.2 Circuito utilizado en la implementación del sensor de temperatura

El funcionamiento del sensor de temperatura se basa en la corriente que circula a través del circuito básico sugerido para el AD590, el cual es el representado en la figura 4. A medida que aumenta la temperatura aumenta la corriente (que según las especificaciones técnicas aumenta 1uA por grado kelvin) y esta corriente combinada con una resistencia de 1K produce una salida en milivoltios proporcional a la corriente cumpliendo la ley de ohm
V=I x R (2)
El dispositivo para medir temperaturas opera en el rango de –22° C a 100° C.

Un circuito adicional proporciona una adecuación a la entrada del PIC para que este sea capaz de detectar cambios sustanciales y dé medidas correctas.

Esta parte adicional consta de 2 fases:
Fase A:
Esta fase se encarga de hacer una resta para lograr dar en milivoltios la temperatura actual. Debido a que se pueden medir temperaturas bajo cero (hasta –22 grados centígrados), un cero representa una temperatura de –22 grados centígrados, un 22 representa cero grados centígrados, un 42 representa veinte grados centígrados, y así sucesivamente, cumpliendo la siguiente formula:
T=A-22 (3)
donde A representa la salida de la señal en la fase A, en la cual el circuito es el siguiente:




Los cálculos para los valores y la formula que rige los operacionales para implementar la resta son:

Vsalida = Rf/Ri (Ventrada 2 – Ventrada 1) (4)


Figura 6


FASE B:
Esta fase pretende aumentar la escala de la salida para que el PIC pueda darse cuenta de los cambios ocurridos; para tal efecto se programa el voltaje de referencia para la conversión A/D (análogo-digital) a 3 Voltios, para obtener un mayor rango de precisión en las conversiones.
Entonces, se tiene que un cambio representativo esta dado por la división del voltaje de referencia y el número máximo de tomas (3 / 255) = 0.01176470588235, (!); lo que quiere decir que cada aumento o disminución de 12 milivoltios, aproximadamente, representa un cambio en la conversión A/D. Con lo anterior se puede aumentar la salida de la fase A de tal forma que el PIC sea más sensible a las variaciones, por ejemplo: a 20 grados centígrados se tendría una lectura de 42 milivoltios, que seria necesario aumentarla a (42*12) 504 milivoltios para que el conversor A/D de cómo resultado 20.
El circuito para esta fase se basa en un seguidor de voltaje cuyo circuito y formula básica es la siguiente:





El circuito diseñado es el siguiente (se dan los respectivos valores de las resistencias):




La idea de programación en el PIC comienza seleccionando el puerto o PIN análogo, en este caso el RA0, se da el inicio para la conversión activando el bit GO de ADCON0, se verifica hasta que este bit sea cero(0), lo que quiere decir que haya ocurrido una conversión y luego se traslada el valor del registro ADRES a una variable representativa del proceso, en este caso TEMPERA.

7.1.1 EL AD 590

Es un circuito integrado transductor de temperatura que produce una corriente de salida proporcional a la temperatura absoluta del ambiente. Este dispositivo actúa como un regulador de alta impedancia de corriente constante, dejando pasar 1A/°K (un micro amperio por grado Kelvin) en fuentes de voltaje comprendidas entre los 4 y 30 voltios positivos. Para más información vea apéndice AD590
Es usado frecuentemente como sensor de temperatura en aplicaciones que toman muestras de temperaturas comprendidas entre los –55° centigramos y los 150° centígrados debido a su alta linealidad entre estos márgenes.

Características Técnicas según HARRIS Semiconductor.
Corriente lineal de salida 1 A °K
Amplio Rango de Temperatura entre –55 ° C. Y 150 ° C.
Amplio rango de Voltaje entre 4 y 30 Voltios positivos
Bajo costo
Fácil calibración


7. Sensores Componentes del Dispositivo

7.1 Sensor de Temperatura

De una manera cualitativa, se puede describir la temperatura de un objeto como aquella determinada por la sensación de tibio o frío al estar en contacto con él.

Esto es fácil de demostrar cuando varios objetos se colocan juntos (los físicos lo definen como contacto térmico), los objetos calientes se enfrían mientras que los más fríos se calientan hasta un punto en el cual no ocurren más cambios, y para nuestros sentidos, todos tienen el mismo grado de calor. Cuando el cambio térmico ha parado, se dice que los objetos (los físicos los definen más rigurosamente como sistemas) están en equilibrio térmico. Entonces podemos definir la temperatura de un sistema diciendo que la temperatura es aquella cantidad que es igual para todos los sistemas cuando ellos están en equilibrio térmico.


Lo expresado es llamado Ley Cero de la Termodinámica y puede ser escrita más formalmente como:

Si tres o más sistemas están en contacto térmico entre sí y todos en equilibrio al mismo tiempo, entonces cualquier par que se tome separadamente están en equilibrio entre sí.

Ahora uno de los tres sistemas puede ser calibrado como un instrumento para medir temperatura, definiendo así un termómetro. Cuando se calibra un termómetro, este se pone en contacto con el sistema hasta que alcanza el equilibrio térmico, obteniendo así una medida cuantitativa de la temperatura del sistema. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio es colocado bajo la lengua del paciente y se espera que alcance el equilibrio térmico con su boca. Se puede ver como el líquido plateado (mercurio) se expande dentro del tubo de vidrio y se puede leer en la escala del termómetro para saber la temperatura del paciente.

¿Qué es un Termómetro?

Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Una forma fácil de hacerlo es encontrando una sustancia que tenga una propiedad que cambie de manera regular con la temperatura. La manera más "regular" es de forma lineal:

t(x)=ax+b (1)

Donde t es la temperatura y cambia con la propiedad x de la sustancia. Las constantes a y b dependen de la sustancia usada y deben ser evaluadas en dos puntos de temperatura específicos sobre la escala, por ejemplo, 32° para el punto congelamiento del agua y 212° para el punto de ebullición en la ya muy conocida escala de grados Fahrenheit.

Por ejemplo, el mercurio es líquido dentro del rango de temperaturas de -38,9°C a 356,7 °C (en la escala Celsius). Como un líquido, el mercurio se expande cuando se calienta, esta expansión es lineal y puede ser calibrada con exactitud.

En la creación de instrumentos medidores de temperatura se debe tener muy en cuenta el tipo de material utilizado o los dispositivos de sensado, ya que estos determinan la complejidad del ajuste de la medida. Existen muchos materiales y dispositivos que cambian su estado al detectar cambios de temperatura entre ellos tenemos el mercurio, aleaciones, que se dilatan; otros como los sensores de temperatura electrónicos alteran el paso de corriente o voltaje en un simple circuito. Fabricantes de estos dispositivos electrónicos están la NATIONAL con sus LM354, el LM355, y otros. La Intersil, hoy Harris, con su AD590, la DALLAS con su DS1820 que permite una comunicación I2C. De los disponibles en el mercado se escogió al AD590 por su alta linealidad, su bajo costo y su fácil manejo.

jueves, abril 13, 2006

6.1.3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO VERIFICAR COMUNICACION


6.1.3.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO TOMAR DATOS


6.1.3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO REVISAR TECLADO


6.1.3.1

6.1.3 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA EN EL PIC


6.1.3