practica cuatro

5/17/2018 PRACTICA CUATRO - slidepdf.com

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PRACTICA DE LABORATORIO “COMUNICACIÓN SERIAL Y CONVERSIONANALOGO DIGITAL”

Mauricio Fernández Montoya Andrés Gómez Dueñas

Mauricio Arias CorreaCircuitos Digitales y Microcontroladores

ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA

ENVIGADO2008-05-06



SENSORES DE PRESION: MPX2010

La tecnología de fabricación de la serieMPX2000 esta basada en un diafragmade silicio, además de otros

componentes periféricosimplementados también dentro delpropio sensor. Es de destacar quecada uno de estos sensores estasometido a un proceso de ajuste por láser para adecuar su señal de salida,además de compensar la temperatura.Hasta hace bien poco, los sensores depresión de tipo semiconductor estabandiseñados para abarcar una gama demedida de tan solo 10kPa (1,5 PSI).

Hoy en día, y dependiendo de lasposibilidades económicas de cadausuario, podemos optar por un sensor de presión que mida en la gama de los10kPa (elemento barométrico nocompensado), un sensor de la gama delos 10kPa calibrado y compensado en

temperatura o un dispositivo totalmente compensado en temperatura, calibradoy de escala completa. El modelo MPX2010 de la firma MOTOROLA(FREESCALE Semiconductor) es un sensor de tipo calibrado y compensado entemperatura cuyo fondo de escala es de 25mV con alimentación de 10V. Antes de nada se ha de precisar que la salida del sensor necesita de unpequeño circuito acondicionador de señal, debido a que la señal que seobtendrá en las patillas del mismo rondará la gama de los milivoltios. Estecircuito se encargara principalmente de adecuar dicha gama de tensión en otramás adecuada que pueda ser vista de manera óptima por el consabidoconvertidor análogo-digital (ADC) del microcontrolador.

Circuito acondicionador de señal

Para el diseño de este circuito se precisó conocer de antemano que la salida

del sensor es del tipo diferencial, es decir, la lectura efectiva del mismo seencuentra entre dos pines del dispositivo (v+ y v-), de donde se puede decir losiguiente:

)21( V V V Vo −=∆=

Debido a que la escala máxima del sensor es de 10kPa, podemos definir lasensibilidad de la siguiente forma:

kPamV

dP

dV

P

V /5.2==

∆

∆



Teniendo en cuenta lo anterior, y además sabiendo que la salida a tope deescala se relaciona de forma lineal con el voltaje de alimentación Vs, se puededecir que el fondo de escala a 8V es:

V mV V

mV V Vo 02.02010

)258( ==×=

Este es el voltaje de salida Vo para nuestro sensor. Ahora, debemos amplificar dicho voltaje diferencial para que sea plenamentereconocible por el microcontrolador y tenga una relativa buena inmunidad alruido. Para esto se decide montar un amplificador de instrumentación conimpedancias adaptadas a la salida. Para esto, y como primer paso se decidedotar a dicho amplificador de una sección diferencial, esto con el fin que toda laamplificación sea realizada por esta etapa. El circuito básico es el siguiente:

Para hallar la ganancia (Av) es necesario establecer el voltaje de salidarequerido cuando el sensor ha llegado al fondo de escala. Esto con el ánimode prevenir la saturación del amplificador cuando el voltaje de entrada supereel fondo de escala y el de salida el de alimentación. Para el montaje seestablece que el voltaje de salida máximo será de 2.5V. Este valor se debe aque este tipo de sensores no tienen un tope de escala fijo. El fabricantegarantiza linealidad por debajo de 10kPa, pero el sensor seguirá detectandohasta llegar a la presión de rotura de 75kPa. Así que para prevenir alguna fallaen el amplificador, se decide este voltaje de salida. Ya establecido el voltajemáximo de salida, se tiene que:



125

02.05.2

=×=

×=

Av

V AvV

Vi AvVo

Luego, en el circuito del amplificador de entrada y salida diferencial se tieneque:

Ω≈Ω==

+=

=

+=

×=

−

−

−

24093,2413

15

321125

125

3

21

21

21

21

R

k R

R

R

Av

Vi R

RVo

Vi AvVo

Ahora, el circuito siguiente es un restador, que se encarga de eliminar el voltajediferencial amplificado y de tomar únicamente el valor en magnitud deldiferencial. Para esta etapa se decidió no darle ganancia alguna, esto secomprueba de la siguiente forma:

V Vo

V V Vo

V V R

RVo

R R R R

∆=−=

−

=

===

)21(

)21(3

7

7654

Pero debido a que los amplificadores operaciones de instrumentación son algocostosos para la aplicación, se decide utilizar otro dispositivo de menosprecisión y con un notable error de offset. Este Voffset puede afectar la señalen al menos 2 voltios (teniendo en cuenta la ganancia de la primera etapa y laoperación de la segunda). Hasta el momento se ha podido corregir un pocoeste error aplicándole a la resistencia R6 un voltaje proporcionado por eltrimmer RV1, y pasando por un seguidor de voltaje. Este voltaje será el ceroque se desee al momento de probar varias configuraciones. Para nuestro

caso el cero se ajustó a 1,85V, donde 0=∆ P . El voltaje de salida final con el

restador se elevó a 3,16V, debido a este error.



EL MICROCONTROLADOR

Montaje principal

El diseño del montaje principal se compone de un modulo display el cual seencarga de mostrar en todo momento el valor devuelto por la conversión delmodulo ADC. Además cuenta con una interfaz TTL-RS232 encargada decomunicar el micro vía enlace serial con un computador, algunas indicacionesluminosas y un botón de reset. Cuenta igualmente con los circuitos deamplificación y un pequeño regulador integrado para que el sensor obtenga 8Va partir de los 12V de la fuente de alimentación. Es esquemático es elsiguiente:



Voltajes de referencia

Como el circuito acondicionador de señal no entrega la escala completa dealimentación, se hace necesario el uso de voltajes de referencia a través de

divisores de tensión.El circuito básico para lograrlo es el siguiente:

Luego, por ley de OHM, y para cada voltaje dereferencia se tiene lo siguiente:

RB

RA

VB

VA RB

VB

RA

VA

RB

VBi

RA

VAi

=

=

== ,

Para Vref- se tiene que:

k RA

RA

k RB

RA RB RB

RA

V

V V

V Vref

5656100

3300070.1

33

70.185.1

)85.15(

85.1

≈Ω=

=Ω×

=

=×

=−

=−

Para Vref+ se tiene que:

k RA

RA

k RB

RA RB

RB

RA

V

V V

V Vref

1515660

2700058.0

27

58.0

15.3

)15.35(

16.3

≈Ω=

=Ω×

=

=×

=

−

=−

Baudrate de la comunicación serial

Como la velocidad de transmisión escogida fue de 9600 baudios (bits por

segundo), se debe cargar el registro SPBRG con un valor que determinemediante una expresión la rata de baudios deseada. Para esto, se debe tener en cuenta que se ha seleccionado el envío de datos a velocidad alta, es decir,BRGH=1. Para las condiciones anteriormente establecidas, se tiene losiguiente:



250416.25

19600164

116

))1(16(

≈=

−×

=

−×

=

+×=

SPBRG

Baudios Mhz SPBRG

BaudRate

FoscSPBRG

SPBRG

Fosc Baudrate

Firmware del microcontrolador PIC16F877A

El lenguaje en el cual se escribió el firmware del microcontrolador es C, en elcompilador PICC de HITEC. El programa básicamente convierte el valor análogo del sensor de presión en su equivalente de 10 bits digital, luego loopera apropiadamente y lo muestra en el display 7 segmentos multiplexado,además de enviarlo vía cable serial a un computador, en el cual seránmostrados de forma apropiada los datos que arrojen las lecturas del sensor.

El programa está estructurado a través de funciones o subrutinas quefacilitan la programación y además permiten que porciones especificasde código sean eliminadas o modificadas de forma mas sencilla.

El programa principal es el siguiente:



Se comprueba que usando interrupciones en el modulo de conversión ADC delmicrocontrolador es mucho más eficiente que el “Polling” utilizadoanteriormente pero no es muy confiable si se desea enviar un dato serial dentrode la misma interrupción. Genera errores de transmisión, además que lalibrería delay presenta problemas al llamar en main() y el interrupt RSI() elDelayMs() al mismo tiempo.

Finalmente para demostrar la fiabilidad del firmware se programa elmicrocontrolador y se hace el montaje final. Para simular los cambios depresión y evitando el deterioro del sensor por humedad (vaho de la boca yfluidos) se decide probar con una manguera neumática y una jeringa con pistónde caucho.Las fotografías del montaje final y sus pruebas se muestran a continuación:



Interfaz gráfica en Visual Basic

Lo que se pretende con la interfaz gráfica en visual Basic es mostrar de formamás amigable los datos recibidos por el computador desde el microcontrolador.Esta compuesta de dos grandes bloques:

1. el bloque de comandos, desde el cual se puede conectar el programadel computador con el puerto serial y poder así recibir los datos.

2. el bloque de salida de datos y resultados, en donde se pueden visualizar de varias formas los datos obtenidos (a través de una grafica presióncontra tiempo y visualizadores de lista y un valor conglomerado.

Software de la aplicación

el software escogido para el desarrollo de la aplicación es el Visual basic, y por medio de las herramientas que este tiene es posible capturar los datos enforma de imágenes (kPa/t) y visualización de valores recibidos.

El código del software es el siguiente:

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