Nuevo método de conexión de sensores generadores a microcontroladores sin utilizar convertidores analógico a digital

Custodio Ruiz, Ángel Augusto

UNEXPO, Centro Instrumentación y Control cicunexpo@gmail.com

Resumen

Resumen: En este trabajo se presenta el desarrollo de una interfaz electrónica para la conexión directa de un sensor generador de voltaje a un microcontrolador sin utilizar convertidor analógico a digital. Se realiza un análisis de los sistemas de instrumentación antiguos y modernos, se implementa el desarrollo de una interfaz compacta en hardware y con software realizado bajo el microcontrolador 12C671, se explica el funcionamiento de la interfaz y se exponen los resultados, para la comparación y análisis de los errores. El diseño propuesto e implementado reduce los errores significativamente y otorga ventajas a nivel económico y en tiempo de desarrollo. La instrumentación moderna propone la implementación de instrumentos que puedan manejar automáticamente procedimientos de linealización, autoescala, compensación de errores y variación de resoluciones. El diseño propuesto cumple estos objetivos. Los resultados que se obtuvieron en la prueba de este dispositivo presentan que los errores cometidos son de un 0,03% máximo, para condiciones normales de funcionamiento y ofrece compensación contra las variaciones en los elementos pasivos del circuito de hasta un 30%, por lo que ofrece grandes ventajas en su utilización y posible comercialización.

Palabras clave: Instrumentación Inteligente / Adquisición de datos / Microcontroladores

I. INTRODUCCIÓN.

La Instrumentación ha significado para el mundo industrial un punto de apoyo e impulso para el mejoramiento de los sistemas de producción, al igual que para su evolución tecnológica. La evolución de la instrumentación viene desde el sentamiento de sus bases en principios físicos fundamentales, que se encargan de obtener, transformar y manipular variables físicas que pueden participar directa e indirectamente en un proceso cualquiera. En la actualidad los sensores forman parte importante en un sistema de control, ya que mediante ellos se realiza una medición de una variable física y se da como respuesta una variación ya sea física o eléctrica. La calibración, ajuste y puesta en marcha de estos dispositivos ha sido uno de los puntos de mayor interés en el desarrollo de nuevos instrumentos que permitan obtener medidas mas cercanas a la realidad [1].

La evolución en dicho desarrollo viene desde dispositivos basados en principios mecánicos, hasta dispositivos que combinan la electrónica moderna con estos principios. Los sensores inteligentes permiten la calibración, linealización, corrección de errores al igual que variaciones de resolución que otorgan medidas acordes para un determinado proceso en particular, tomando en cuenta diversos factores y teniendo así todo el control sobre el instrumento de medida; esto trae como consecuencia directa mejoras sustanciales en los tiempos de respuesta de los procesos productivos, ganancias y desarrollo tecnológico directo.

Con el creciente auge de la electrónica se desarrollaron instrumentos basados en sistemas que poseen un sensor, un amplificador adecuado o acondicionador de señal, un dispositivo de conversión analógica digital y un sistema de transmisión, pero estos sistemas son muy costosos cuando se desea aislamiento, ecualización, filtrado, etc. y ocuparían demasiado espacio para formar un tarjeta de adquisición de datos.

Los sistemas modernos basados en sensores inteligentes poseen muchas ventajas: son muy económicos reducidos y ofrecen amplias ventajas por ser un dispositivo de fácil manipulación. Están formados por un sensor, un dispositivo de amplificación y un microcontrolador. El microcontrolador se encarga de procesar la señal, linealizarla, transformarla en datos digitales y transmitirla según los requerimientos del equipo receptor [2]. El objetivo primordial de este trabajo es el desarrollo de una interfaz electrónica, capaz de permitir la conexión de un sensor generador de voltaje a un sistema manejado por un microcontrolador sin necesidad de utilizar un convertidor analógico a digital, permitiendo así la reducción de errores, la linealización y manejo de la señal en distintas resoluciones y campos. El trabajo se divide en tres partes: una descripción de hardware implementado, una descripción del software instalado, y luego el experimento y sus resultados.

II. DESARROLLO

1. Descripción del experimento

En este apartado se explicará el desarrollo experimental de la interfaz electrónica propuesta para sensores generadores. El proceso se desarrolla en dos etapas básicas, una de tratamiento de la señal proveniente del sensor generador que es realizada mediante un amplificador de instrumentación, (esta etapa será simulada mediante una fuente de tensión que variará entre 0 y 5V), y otra de procesamiento digital que es quizás la más importante, porque mediante ella se compensan muchos errores y se ofrece un tratamiento de tensión que da como resultado una salida en PWM equivalente a la resolución programada para una conversión analógica-digital directa mediante un microcontrolador.

1.1. Hardware

El diseño propuesto se basa en la interfaz digital directa basada en modulación por ancho de pulso de período variable (PWMVP) [3], ver Figura 1.

Figura 1. Descripción del funcionamiento de la interfaz digital directa basada en modulación por ancho de pulso de período variable

La técnica PWM-VP se basa en comparar la señal de interés (f) con un tren de señales rampa cuyo período (P) dependerá de su interrelación con dicha señal. Luego se genera un tren de pulsos (sg) de ancho variable (d), con una amplitud fija (A). Independientemente del período, el ancho del pulso siempre llevará la información. Por tanto no hacen falta señales de sincronismo simplificando la electrónica de implementación. El diseño propuesto se implementó con el circuito de la Figura 2. Las medidas son tomadas desde la salida del comparador, la señal medida proporcionará variaciones en el ancho y en el período de duración de los pulsos; dichas variaciones serán directamente proporcionales a las variaciones de temperatura, que a su vez producen variaciones de tensión a la entrada del comparador.

Figura 2. Hardware utilizado para implementar la técnica PWM-VP mostrada en la Figura 1.

La duración, al igual que el número de pulsos, dirá el resultado de la conversión que queda almacenado en unos registros de propósitos generales para posteriores tratamientos, ya sean de visualización o de transmisión. El circuito está formado por un amplificador de instrumentación que se encarga de llevar los niveles de tensión de la salida del termopar a niveles que puedan ser manejados por el microcontrolador, (simulados mediante una fuente de tensión de 0 a 5 V). A continuación se tiene un comparador que es el encargado de verificar cual de las dos tensiones de entrada es la mayor: la tensión de la red RC o la proveniente de la etapa de amplificación. En función del estado del comparador, el microcontrolador genera una salida que se encarga de polarizar la red RC y a su vez almacena en un registro especial el resultado de la conversión en formato digital.

1.2. Software

El software implementado se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de flujo del software implementado en el microcontrolador

Este es muy sencillo, ya que se desarrolló con el fin de que pudiera ser implementado con el microcontrolador PIC12C671, que es muy pequeño y de poca capacidad. El hecho de seleccionar este micro era la necesidad de desarrollar una implementación sencilla y práctica, tratando de conseguir un tamaño reducido y un costo pequeño.

El software consiste en la generación de un algoritmo de comparación entre la señal de entrada proveniente del sensor y la correspondiente detección de nivel alto en el microcontrolador.

Luego se va generando un conteo interno en el microcontrolador, de tal forma que al alcanzar o detectar el nivel alto en el pin correspondiente del procesador, se obtendrá una cuenta que será proporcional al nivel de tensión de entrada. Una vez con la cuenta guardada en los registros respectivos, se procede a presentar los datos en una señal equivalente a la señal de entrada para el correspondiente cálculo de errores.

2. Resultados y análisis

En la Figura 4 se presentan las formas de onda observadas en el pin de entrada del microcontrolador. Se utilizó para la medida un osciloscopio digital de la serie TECKTRONIC con una excelente impedancia de entrada, con el fin de evitar la posible perturbación sobre el sistema de medida. Se muestran dos señales obtenidas para dos tensiones de entradas diferentes. La (1) corresponde a una señal de entrada de 1 V, y la (2) corresponde a una señal de entrada de 1,5 V. Puede determinarse claramente que el sistema funciona al medir los cambios en la señal generada.

Figura 4. En esta forma de onda se presenta un ejemplo de la salida de nuestra interfaz para dos señales de tensión distintas. Se puede observar claramente la variación en el ancho de los pulsos. La señal número 1 para 1V, la señal número 2 para 1,5V

En la Figura 5 se muestra el valor medido por el microcontrolador en función de la tensión de entrada.

Figura 5. Valor medido del controlador en función de la tensión de entrada, utilizando dos comparadores de características diferentes

El experimento se realizó para dos comparadores diferentes: el LM324 y el LT1016. El objeto de este proceso era observar la influencia de un inadecuado proceso de comparación a la entrada del microcontrolador. El LM324 se comporta de forma adecuada al compararlo con el valor Ideal o teórico.

En la Figura 6 se procede a realizar la linealización de la señal obtenida con el LM324.

Figura 6. Linealización de la señal obtenida con el LM324, con el fin de analizar el error de no linealidad del sistema

Puede observarse una variación muy pequeña con relación al valor ideal. La pendiente de la gráfica linealizada es de apenas 0,998 con una deriva de dos centésimas. El error tabulado se muestra en la Figura 7. El error máximo de nolinealidad apenas llega al 0,030 %, lo cual se traduce en un error mejor que 12 bits de resolución.

Figura 7. Error de no linealidad obtenido con la ecuación determinada en la Figura 6.

Seguidamente se procedió a evaluar la inmunidad del circuito contra cambios del elemento pasivo existente, el condensador (Figura 8).

Figura 8. Error de no linealidad calculado al variar el condensador de la Figura 2, una vez linealizado el resultado, como se muestra en la Figura 6.

III. CONCLUSIONES

1. El diseño propuesto trabaja específicamente sobre sensores generadores, que propone acondicionamiento de su señal y tratamiento mediante un microcontrolador para obtener una señal con errores muy pequeños y controlados y con una resolución de hasta 16 bits.

2. El diseño de interfaz electrónica para sensores generadores basada en PWM-VP e implementado con microcontroladores, como el PIC reúne características de versatilidad y precisión en la obtención de datos de un determinado proceso.

3. La interfaz diseñada produce resultados en los cuales se observa una amplia precisión y la reducción de errores de hasta un 0,03%.

4. El diseño propuesto trabaja específicamente sobre sensores generadores, proponiendo acondicionamiento de su señal y tratamiento mediante un microcontrolador, para obtener una señal con errores muy pequeños y controlados y con una resolución de hasta 16 bits.

5. La reducción en errores de ganancia, cero y no linealidad es muy significativa y apunta al desarrollo de instrumentos con control en las fuentes de producción de errores.

6. El diseño propuesto maneja variaciones en la capacitancia de hasta un 30%, lo que quiere decir que no ofrecerá variaciones considerables en la salida ante cambios bruscos en la temperatura de entrada.

IV. REFERENCIAS

1. Pallas-Areny, Ramón. “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Barcelona, España. Marcombo, 2001, p. 350.        [ Links ]

2. Custodio, Ángel. “Aporte a la Interfaz de Señal en Sensores Inteligentes”, Tesis de Doctorado Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona, España, 2001, 425. pp.        [ Links ]

3. Daugherty, K. Analog to Digital Conversion: a Practical Approach. New York, McGraw Hill, 1994, p. 232.        [ Links ]