Memories de E.T. (2013)

Trabajo Catalán
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería Telemática - 1º curso
Asignatura E.T. Electronica de les Telecomunicacions
Año del apunte 2013
Páginas 27
Fecha de subida 13/10/2014
Descargas 13
Subido por

Descripción

Memories de E.T. Treball final

Vista previa del texto

Memòria del projecte de l’assignatura E.T.
Control de temperatura d’un recinte Electrònica en les Telecomunicacions.
Castán Barón, Anna Salazar Garcia, Ana Electrònica en les telecomunicacions   2   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Electrònica en les telecomunicacions   3   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   ÍNDEX 1.Introducció  ..........................................................................................................  4   2.Esquema elèctric  ................................................................................................  4   3.Descripció del circuit  .........................................................................................  5   4.Llista del Material  ...............................................................................................  6   5.Engegada  .............................................................................................................  7   6.Apèndix............................................................................................................8 6.1. Bloc “Temperatura de Referència”.  ....................................................................  8   6.2. Bloc “Condicionador de Senyal”.   .....................................................................  12   6.3. Bloc “Driver de potència”.  ..................................................................................  15   6.4. LED's  ......................................................................................................................  18   6.5. Programari  ............................................................................................................  20   7. Conclusions  .....................................................................................................  24   8. Bibliografia i Webgrafia...............................................................................26 Electrònica en les telecomunicacions   4   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   1.Introducció L’objectiu del projecte és el disseny i la implementació d’un sistema de control de la temperatura d’un recinte, amb les especificacions següents: _ Control de la temperatura TA del recinte entre 20 ºC i 50 ºC.
_ Tensió d’alimentació única VCC = 9 V.
_ Control basat en la plataforma Arduino i senyals PWM.
_ Sensor de temperatura integrat LM35.
_ Resistència calefactora RL = 47.
_ Histèresi de 2,5 C al voltant de la temperatura de referència TREF.7 _ LED’s indicadors de la situació del recinte.
2.Esquema elèctric Figura 1: Esquema elèctric del sistema de control de temperatura Electrònica en les telecomunicacions   5   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   3.Descripció del circuit Aquest projecte té com a objectiu principal dissenyar i implementar un sistema de control de temperatura d’un recinte amb unes característiques especifiques.
Hem de mantenir controlada la temperatura del recinte entre 20ºC i 50ºC, amb l’aplicació d’una tensió d’alimentació única de 9V, a més a més serà un control que basarem en la plataforma Arduino, i amb senyals PWM. També conectarem un sensor de temperatura integrat LM35, una resistència calefactora de 47Ω, una histèresi de 2.5ºC aprox., i LED’s indicadors de la situació del recinte.
Per a poder realitzar satisfactoriament tot això, dissenyarem un circuit que constarà de diferents blocs, de manera que cada bloc tindrà una funció determinada. En l’esquema elèctric del sistema de control de temperatura que es pot veure a la Figura 1, podem observar detalladament cada bloc.
El primer el Bloc de “Temperatura de referència”, el podem trovar a la dreta del tot.
Consisteix en un divisor de tensió construït per dues resistències i un potenciòmentre. Més endavant en l’apartat 7 del projecte, consta una explicació més detallada.
El segon Bloc “Condicionador de Senyal”, és un amplificador no inversor amb tensió d’offset format per l’amplificador operacional LM35. (També el podem veure delimitat a la imatge d’adalt.
El tercer Bloc “Driver de potència”, està constituït pel transistor bipolar npn 2N2222. (Delimitació a la imatge).
L’últim que tenim la RL, té per finalitat fixar la intensitat dels LEDs indicadors.
Electrònica en les telecomunicacions   6   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   4.Llista del Material Resistència 10kΩ Resistència 3.3k Ω Bloc 1. Temperatura de referència.
Resistència 12kΩ Bloc 2. Condicionador de senyal.
Resistència 47 Ω Bloc 3. Driver de potència.
Placa Arduino Bloc 5. Programari Transistor LM35 Transistor 2N2222 Bloc 2. Condicionador de senyal.
Bloc 3. Driver de potència Amplificador Bloc 2. Condicionador de senyal.
Potenciòmetre Bloc 1. Temperatura de referència.
LED’s Bloc 4. Led’s Figura 2. Taula de la Llista de Material.
Electrònica en les telecomunicacions   7   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   5.Engegada En aquest apartat explicarem un petit resum de com treballar el projecte, que es divideix en cinc blocs, temperatura de referència, condicionador de senyal, driver de potència , LED’s i per últim el programari.
1. Primer fem els càlculs corresponents, a partir de la informació que ens ha facilitat el professor. Trobem els diferents valor de les resistències o tensions que ens fan falta per dur a terme el bloc corresponent.
2. A partir dels valors, busquem els elements que s’ adeqüin a aquests, per poder muntar el circuit.
3. Fem una petita comprovació amb els aparells que disposem a la classe, (oscil·loscopi, generador de funcions, voltímetre...), ja que, un petit error a un bloc es pot convertir en un de gran al projecte final.
4. Amb tots els blocs ja acabats podem muntar el circuit complet.
Electrònica en les telecomunicacions   8   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   6. Apèndix. On incluïm els 5 blocs d’aquest projecte, on expliquem tots els calculs i el seguiment que hem anat fent amb relació a l’engegada i tot el material que hem hagut de tenir a punt.
6.1. Bloc “Temperatura de Referència”.
En aquest primer bloc estudiarem i realitzarem un divisor de tensió que estarà constituit pel potenciòmetre R12 de 10k Ω i les dues resistències fixes les cuals haurem d’averiguar el valor (Figura 3). El Arduino no llegeix les resistencies sinó que entén només els voltatges.
Figura 3. Teoria del potenciòmetre i les seves posicions.
Electrònica en les telecomunicacions   9   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   El que hem realitzat doncs és una correspondència entre la tensió de sortida Vref i la temperatura de referencia Tref. Així podrem saber finalment el valor de les dues resistències R11 i R13.
Tenim que; 1V <= VRef <= 4V Conseqüentment tindrem dos circuits, ja que els potenciometre pot estar posat al màxim o al mínim. (Figura 4 i 5) Figures 4 i 5. El potenciomente al màxim i al mínim.
Observem que quan la tensió de Referència (Figura 4) està conectada entre la Font de 5v i la Resistència R12, el seu valor es de 4V, ja que la tenció Vo= 1V.
Aixó ho podem deduïr simplement per pura observació del circuit.
Així que tindriem que la resta de circuit que engloba R12 i R13 passa una tensió de 3 Volts. D’aquí ja podem fer calculs per averiguar R13.
En el circuit de la dreta (Figura 5) ens passa igual però la Tensió de Referència VRef esta en la posición entre “Ground” i R12.
Electrònica en les telecomunicacions   10   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Tenint en compe totes aquetes dades concluïm dient que R11=R13 perquè passa per la mitat del corrent en els dos casos.
VR11= 1V VR13= 1V Trobem que VR12 és 3V perque la suma de VR11+VR13 es 2V, i la seva diferencia amb la Vtotal es de 3V.
VR11 + VR13 = 2V 5V – 2V = 3V Per acabar calculem el valor de les Resistències, sabent que són un terç de la Resistència R12; R11 = 1/3 · 10kΩ = 10.000 Ω / 3 = 3.333,34 Ω ≈ 3.300 Ω Taronja - 3 Taronja - 3 Vermell - 10x10 Daurat R13 = 1/3 · 10kΩ = 10.000 Ω / 3 = 3.333,34 Ω ≈ 3.300 Ω Un cop trobat els valors de les Resistències procedim al muntatge amb la placa Protoboard, les Resistències reals i el potenciometre (Figura 6 i 7).
Figures 6 i 7. Elements pel muntatge del circuit “Temperatura de Referència”.
Electrònica en les telecomunicacions   11   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Un cop trobats tots els elements correctes (les resistències amb els colors que pertoquen), comencem amb el muntatge i el cablejat (figura 8). Hem de comprovar que la tensió està situada realment entre els valor 1V i 4V.
Figura 8.Visualització de la placa protoboard amb els elements col.locats formant el circuit.
Un cop conectat tot, visualitzem el voltímetre i veiem que, posat al mínim ens dona un valor aproximat a 1 V i quan el posem al màxim ens dona un valor aproximat al 4 V (Figura 9), tot i així no hauriem de sobrepassar aquest valor i per fer una millora del circuit hauriem d’utilitzar una resistència més gran en quant a valor.
Figura 9. El voltímetre conectat al circuit, el valor màxim.
Electrònica en les telecomunicacions   12   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   6.2. Bloc “Condicionador de Senyal”.
En aquest bloc tenim com a finalitat trobar la relació que hi ha entre la tensió de sortida del sensor de temperatura LM35 i la d’entrada del convertidor A/D de la plataforma Arduino.
El sensor LM35 genera una tensió V = 10 mV/ ◦C × T . En aquest cas farem A A els ajustaments suposant que la temperatura A esta entre 10ºC i 60º, la qual cosa dóna que la Va està entre 0.1V i 0.6V.
Hem de tenir en compte que la plataforma Arduino oscil.la entre [0V, 5V].
A més a més l’amplificador operacional LM358, que està alimentat amb 9V, presenta unes tensions de saturació de ≈ 20 mV (inferior) i ≈ 7,5 V (superior).
Tenint en compte tots aquets factors començarem a dissenyar el circuit de condicionament de Senyal.
Figura 10. Model circuital del condicionador de senyal.
Electrònica en les telecomunicacions   13   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Comencem calculant la tensió de sortida per 10ºC i la tensió de sortida per 60ºC.
Vs= T · S S=10mV/ºC= 10·10-3 V/ºC T= 10ºC i 60ºC Vs10= 10ºC · 10·10-3 V/ºC = 0.1V Vs60= 60ºC · 10·10-3 V/ºC = 0.6V Un cop ja tenim les tensions de sortida calculem les constants A i B a partir de el sistema de equacions generat per; VA/D= Vs·A+B Vs10ºC= 0V Vs60ºC= 5V Vs10ºC= Vs·A+B Vs60ºC= Vs·A+B 0=0.1·A+B 5=0.6·A+B A= 10 B= -1 Ara a partir del circuits de la Figura 10, calculem Voffset i Va, i la relació entre R5 i R4 .
Figura 11. Models Circuitals La relació entre les Resistències serà; A= (1+ R5/R4) R5/R4= 9 Aixó significa que la relació entre la Resistència 5 i 4 és 9.
Resolem el circuit per superposició, tindrem que vo’ es un inversor i v0’’ es un no-inversor per aixó tindrem les equacions: Vo’= -Voffset · R5/R4= B Vo’’= Va (1+ R5/R4) A Voffset= 1/9 V= 0.11V Va= -0.1V Electrònica en les telecomunicacions   14   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   El valor de la Resistència R2= 12Kohms, fent tots els calculs corresponents.
Una cosa molt important és el fet de la recerca per internet del LM35 (DataSheet); com són els seus terminals i com van connectats. (Veure figura 12).
Figura 12. Com va connectat el LM35.
Un cop ja tenim calculat tot aixó només ens falta muntar el circuit (Figura 13).
Figura 13- Diverses Vistes Circuit Condicionador de Senyal.
Electrònica en les telecomunicacions   15   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   6.3. Bloc “Driver de potència”.
En aquest bloc tenim com a finalitat implementar un interruptor que faci dues funcions, tancat i obert. L’interruptor es tancarà quan la tensió Vd sigui alta i s’obrirà quan aquesta tensió sigui massa baixa. Per trobar el valor de la resistencia R6, suposarem que el nivell alt de la tensió Vd serà més o menys 4V i que la tensió de col·lector- emisor en saturació serà de 0V. Així doncs tindrem el model circuital de la Figura 14.
A partir d’aquet circuit podem seleccionar R6 Ib> Ic/hFE(MIN). Aquests paràmetres els obtindrem a partir del datasheet.
Figura 14. Model Circuital Figura 15. Possible diagrama de flux del programa del µC.
Electrònica en les telecomunicacions   16   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   ·Càlculs del driver de potència.
Vc Esat = 0V en Saturació Ib<Ic/hFE VbEon=VbESAT= Vγ hFEmin= βmin en activa IB=Ic/hFE HFe és lo mateix que betta i ho trobem en el Datasheet. (Figura 19) Aquest transistor (el qual mirem la posició de les potes) estarà en tall o saturació. La majoria de vegades la tensió VCE del col·lector emisor serà 0,2V aproximadament. En la practica suposarem que està a 0V.
A partir de totes aquestes dades, calcularem el corrent del col·lector IC. Un cop ho tenim, calculem a partir de les ecuacions anteriors el corrent de base IB.
R6 es calcula a partir del quocient entre la tensió V el corrent IB . A partir de l’equació IB=Ic/hFE ens donarà el valor màxim, i per seguretat agafarem un valor de la resistència física per baix del que ens hagi sortit en el nostre càlcul.
Busquem el hFE mínim en el DataSheet (Figura 16).
Figura 16. Taula del Datasheet Electrònica en les telecomunicacions   17   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Per comprovar que tots els càlculs són correctes muntem el circuit: Figures 17 i 18. Visualització del circuit del Bloc 3 (Driver de Potència).
Un cop ja estigui muntat el circuit del Driver de Potència mirem la tensió del transistor quan està en Saturació Vce (Colector-Emisor) i si veiem que ens dona un valor molt petit entre 0V i 0.2V es que evidentment està en Saturació i el circuit està aparentment correctament muntat.
Figura 19. DataSheet del 2N2222 També mesurem varies tensions per comprovar que tot funciona correctament amb l’ajuda del Voltímetre.
Figura 20. Cablejat Electrònica en les telecomunicacions   18   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   6.4. LED’s Les resistències R7, R8, R9 i R10 les escollirem de manera que cada LED estigui alimentat a 10mA ÷ 20mA. Com podem veure a la Figura 21, haurem de muntar un circuit amb els LED’s i l’Arduino, despres d’haver calculat el valor de les Resistències de cada un dels Led’s, els quals depenen dels colors.
Figura 21. Model Circuital dels Led’s En aquest apartat calcularem els valors de les Resistències. Per a poder fer-ho necessitem el valor de les Resistències Llindar. A continuació estàn els Càlculs: Led Vermell= (5V-1’8)/15mA= 220Ω. =R7 (rojo rojo marron dorado) Led Verd= (5V-2’3)/15mA= 180Ω. = R8 (marron gris marron) Led Blau o Blanc= (5V-3’8)/15mA= 80Ω.=R9 (gris marron negro) Led Groc=(5V- 2’1)/15mA=190 Ω.=R10 (Marron gris marron) Per fer que els LED’s brillin amb la mateixa intensitat s’estableix que el corrent que ha de passar per cadascun d’ells sigui 15 mA. Coneixent la tensió llindar per a cada LED (la qual es dependent del color) es pot establir un valor per a cada resistència de manera que els tres LED’s llueixin amb la mateixa intensitat. Mitjançant els càlculs de la part inferior d’aquesta pagina, s’estableix el valor de cada resistència d’aquesta manera: R7=220Ω, R8=180Ω, R9=80Ω i R10=190Ω.
Electrònica en les telecomunicacions   19   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Ara que ja tenim els valors de les Resistències hem de programar l’Arduino per tal que els LED’s s’iluminin quan toca, fent servir els còdigs que estan explicats al apartat (6.2. Programari).
Si fos el cas que no podem o no tenim el temps suficient per programar el Arduino i fer tota aquesta feia tenim la font d’alimentació que li posarem 5V, i per a comprovar que realment els LED funcionen i està tot correcte ho conectarem així (veure Figura 22).
Figura 22. LED’s conectats a font d’alimentació 5V i funcionant correctament.
A continuació podem veure unes imatges (Figura 23) amb el circuit muntat i funcionant: Figura 23. Visualització a diferentes vistes del circuit Bloc 4.
Electrònica en les telecomunicacions   20   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   6.5. Programari En aquest apartat del Bloc de Programari tenim com a finalitat governar el Sistema a partir de la programació. Ha d’assolir les temperatures de referència TREF i ambient TA, determini el cicle de treball D de la tensió PWM VL generi aquesta tensió, estableixi l’estat dels quatre LED’s indicadors i mostri TRef, TA en el monitor sèrie de l’entorn de desenvolupament de la plataforma Arduino.
Electrònica en les telecomunicacions   21   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Electrònica en les telecomunicacions   22   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Electrònica en les telecomunicacions   23   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   6.6. Projecte Final Aquest bloc creiem que és el més important de tot el projecte ja que és on posem en comú tots els blocs. No només amb el cablejat adequat sinó que també amb el programari explicat al Bloc anterior numero 5. En la Figura 24 podem observar tot el projecte muntat amb l’Arduino i la placa protoboard. En aquestes Figures 24 podem observar tots els Blocs que hem anat explicant detalladament, amb tots els valors adecuats i els càlculs pertinents.
Figura 24. Circuit Final tot muntat i funcionant.
Electrònica en les telecomunicacions   24   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   7. Conclusions A mesura que hem anat realitzant el projecte hem trobat diverses dificultats, tot i així, hem pogut avançar al ritme de tota la classe. És un treball díficil i s’ ha de tenir una constància en la matèria tant en la part teòrica com la pràctica, ja que les dues fan possible la realització del projecte final.
En un principi no erem concients de la gran importància que tenia fer aquest projecte “Controlador de Temperatura”, però el trojecte en si ens ha fet veure que sense aquets controladors no podriem fer moltes coses.
Conclusions a partir dels objectius inicials Quan vam començar el treball vam establir una sèrie d’objectius que eren clars i precisos però quan vam anar avançant el projecte ens vam adonar que eren més difícils del que esperavem. Tot i les adversitats que hem passat hem pogut realitzar el nostre projecte a temps i finalitzat.
A continuació explicaré els objectius que hem establert en relació amb la primera part d’aquest projecte.
L’objectiu principal del projecte era dissenyar i implementar un sistema de control de temperatura d’un recinte que tingués unes característiques predeterminades.
Primer de tot, fer un control de temperatura Ta del recinte entre 20ºC i 50ºC, que resulta que en aquest Bloc vam tenir algun problema, pero tot va ser conceptual.
Seguidament, la tensió d’alimentació de 9V que ens proporcionava la font d’alimentació. Després vam haver de dissenyar i càlcular els valors de les Resistències del Bloc “Condicionador de Senyal”. Que resulta que fam fer servir uns cables que no eren els adecuats i al mesurar els valor de les tensions no ens donaven els correctes, oscil.laven de negatiu a casi infinit molt rapidament.
Vam solucionar-ho tornant a fer el circuit amb cables diferents al final del projecte.
Per poder continuar vam construir el Driver de potència a partir dels models circuitals que ens donava el pdf d’Atenea. En aquest Bloc tot ens va sortir correcte i amb cap problema.
En el següent Bloc vam haver de posar en funcionament els LED’s. Un cop tot el cablejat estigués a punt i conectat amb al font de 5 V vam comprovar que funcionessin bé, ja que algun podia estar fos.
Electrònica en les telecomunicacions   25   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   Per últim, i el que ens va ser més costòs va ser programar el Arduino perque fes al feia que havia de fer, és a dir, que s’encengués un LED diferent per a cada zona. Cada zona tenia unes propietats determinades.
Com a conclusions finals podem dir que hem tingut un resultat satisfactori del projecte, tot i les complicacions que hem hagut de passar pel camí.
Valoració i Opinió personal sobre el treball Ha estat una experiència molt interessant i innovadora pel fet que és el primer cop que realitzem un projecte tan sofisticat amb un material que mai haviem utilitzat abans.
És el primer projecte que realitzem a l’EETAC i ens ha aportat coneixements nous i confiança a l’hora de manejar estris. Tot i que hem treballat de manera autònoma, els professors de l’assignatura E.T. han estat un gran suport per a nosaltres, sobretot a l’hora d’ajudar-nos en alguns entrebancs que hem tingut durant la realització del projecte.
Electrònica en les telecomunicacions   26   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   8. Bibligrafia i Webgrafia WEBS CONSULTADES DataSheet ·Búsqueda de Componentes Electrónicos de Datasheet· <http://www.alldatasheet.es> [Ùltima visita: 24-10-2013] Resistencies ·Valores normalizados de Reistencias por colores· <http://www.lcardaba.com/articles/R_normal/R_normal.htm> [Ùltima visita: 12-11-2013] Transistores ·Componentes Electónicos· <http://www.planetaelectronico.com/cursillo/tema2/tema2.6.html> [Ùltima visita: 25-11-2013] Amplificadores Operacionales ·Principios básicos de los amplificadores· <http://www.qi.fcen.uba.ar/materias/iqi/opamp1.html> [Ùltima visita: 09-12-2013] Controles de Temperatura ·ProyectosArduino· <http://www.proyectosarduino.com.ar> [Ùltima visita: 19-12-2013] Arduino UNO· Plataforma Electrónica· <http://www.arduino.cc/es/> [Ùltima visita: 22-12-2013] LED’s ·Light Emitting Diodes (LEDs) <http://electronicsclub.info/leds.htm> [Ùltima visita: 29-12-2013] LLIBRES DE REFERÈNCIA “Introducción al Arduino” de Massimo Banzi. Lengua Española editorial Anaya 2003.
“Arduino curso de Formación” de Oscar Torrente Artero. Lengua Española editoral Anaya 2005.
Electrònica en les telecomunicacions   27   Projecte: Control de Temperatura d’un Recinte   ...