Nuevo método de conexión de termistores a microcontroladores basada en la técnica de conversión digital directa

Custodio Ruiz, Ángel Augusto Díaz, Alfred

UNEXPO, Centro Instrumentación y Control, cicunexpo@gmail.com

Resumen

En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un circuito electrónico interfaz para termistores basada en la técnica de conversión digital directa a microcontroladores, que no requiere utilizar ni amplificadores ni convertidores analógico a digital. La alternativa para la solución del diseño aquí planteado está basada en el microcontrolador PIC16F84A, implementado mediante un software en lenguaje ensamblador que permitirá estimar el valor del sensor termistor mediante relaciones aritméticas de multiplicación y división. Además, se llevará a cabo el desarrollo matemático para obtener las ecuaciones teóricas que rigen a dicho sistema. Para 8 bits de resolución, se obtuvo un error relativo experimental total calculado a fondo escala del 0,8 % máximo, lo que permite demostrar la validez y sencillez de la técnica propuesta.

Palabras Clave: Instrumentación Inteligente / Adquisición de datos / Microcontroladores/ Conversion digital directa

I. INTRODUCCIÓN.

En los actuales momentos existe una necesidad imperiosa del estudio de diseño de interfaces que permitan conectar sensores basadas en la conversión digital directa a los puertos digitales de un microcontrolador. Este tipo de internas, es de fácil manejo, más simple, de mayor efectividad y mucho más económica que las interfaces existentes en la actualidad, basadas en el método clásico sensor-amplificador-ADC, que normalmente resultan relativamente costosas y muy complejas a la hora de ser implementadas.

La investigación para el campo de la instrumentación industrial se basa en el manejo de una tecnología que tiene una gran potencialidad y aplicación para el desarrollo de investigaciones en esta área, como lo es la implementación de interfaces basadas en la conversión digital directa a un microcontrolador, suprimiendo etapas tradicionalmente aceptadas, obteniéndose un instrumento de medición y control de temperatura para procesos industriales. Natarajan [1] propuso dos circuitos considerados como internas digital directa, basados en un generador de onda cuadrada. Estos circuitos empleaban un amplificador operacional junto con un termistor, muy fácil de diseñar, y era considerado como un convertidor de temperatura a frecuencia de muchas ventajas para la medida digital de cualquier cantidad física utilizada, como la temperatura, que es una de las cantidades físicas que a menudo requiere ser medida y controlada.

Baker [2] propuso un circuito para controlar una temperatura de referencia dependiente de voltaje utilizando la combinación en paralelo de un termistor y una resistencia.

Custodio [3-4] comprobó que es posible conectar un sensor resistivo directamente a los puertos digitales de un microcontrolador. Para su experimento utilizó el microcontrolador PIC16C71 de la Tecnología Microchip. El funcionamiento del circuito internas propuesto por él para aquel entonces consistió en cargar un condensador a través del sensor resistivo y luego a través de una resistencia de referencia conectada a la salida de los puertos digitales del microcontrolador PIC. Luego midiendo ambos tiempos pudo establecer una medida de relación entre ellos para estimar el valor de dicho sensor. La medida de relación consistió en dividir ambos tiempos de carga del condensador y luego multiplicar este resultado por el valor de la resistencia de referencia. Esta medida fue aplicada con la finalidad de cancelar la contribución proporcionada por el condensador. El diseño a ser desarrollado en esta investigación consiste en una aplicación particular del circuito implementado y demostrado por el anterior autor citado.

La estrategia utilizada para llevar a cabo esta investigación consistió primeramente en seleccionar el tipo de internas para termistores basado en la conversión digital directa a un microcontrolador. Luego se realizó dicho diseño en papel del circuito interno seleccionado para determinar los componentes electrónicos que serían requeridos. Por último, se procedió a elaborar el respectivo software en Lenguaje Ensamblador para el microcontrolador PIC16F84A. Este último es el que constituye el cerebro principal del circuito electrónico interno a diseñar y sobre el cuál recae la responsabilidad de controlar y minimizar los posibles errores que puedan presentarse en la medición. Se presenta inicialmente un modelaje matemático del circuito propuesto y luego el montaje experimental con sus resultados. También se explica parte del software programado en el microcontrolador utilizado.

II. DESARROLLO

1. Descripción del experimento

Se muestra en la Figura 1, el circuito electrónico interno propuesto para conectar directamente el sensor termistor a los puertos digitales del microcontrolador.

Figura 1. Interfaz para sensor termistor basada en su conexión directa a los puertos digitales del microcontrolador.

El circuito internas para el sensor termistor funciona de la siguiente manera: Al colocar un nivel de tensión alto (V_OH1) en el pin RA1, C se carga a través del sensor R_T hasta un nivel de tensión determinado por la tensión umbral alta (V_IH) del pin RA3.

El pin RA2 se configura en alta impedancia y RA3 como entrada (también en alta impedancia) de forma que no intervengan en el proceso de carga de C. Luego, C se descarga a través de la resistencia de protección R_P al colocar un nivel de tensión bajo (V_OL) en el pin RA3. Seguidamente, RA1 se coloca en alta impedancia y RA2 en un nivel de tensión alto (V_OH2). De esta manera C se carga a través del resistor de referencia R_R. El tiempo de carga se determina a partir del nivel de tensión en el puerto RA3 (encuestando el respectivo pin de dicho puerto). C se descarga nuevamente por R_P.

En la Figura 2, se muestra el modelo completo equivalente del circuito de la Figura 1, incluyendo todas las resistencias y fuentes de corrientes internas de los puertos del microcontrolador que intervienen en el proceso, para cuando C es cargado través del sensor termistor. Para la carga a través de la R de referencia, el circuito equivalente es similar al mostrado en la Figura 2.

Figura 2. Modelo completo del circuito de la Fig. 1 donde se incluyen todas las resistencias y fuentes de corrientes internas de los puertos del microcontrolador que intervienen en el proceso.

Para estimar el valor del sensor termistor, se emplea el microcontrolador PIC16F84A, con el cual se obtiene una resolución de 8 bits máximo, debido a que este dispositivo electrónico solamente dispone de un contador de 8 bits. Si se requiere obtener una resolución mayor de 8 bits será necesario utilizar un software adicional, para obtener la misma debido a la limitante antes descrita.

Los parámetros del microcontrolador PIC16F84A que no son dados en la hoja de especificaciones suministrada por el fabricante, han sido tomados de [3], donde fueron determinados experimentalmente por el autor citado.

Analizando la Figura 2 se obtiene la ecuación general (1).

Donde RT es la resistencia del termistor , dada por

Donde R₀ es la resistencia del termistor en T = T₀ y D es la constante característica de temperatura.

Además,

2. Resultados y análisis

El circuito de la Figura 1 fue montado usando un PIC16F84A, un termistor con variación de 1,4 KW a 17,6 KW, Rp de 100 W y C = 0,1mF

En la Figura 3 se presenta el diagrama de flujo implementado en microcontrolador.

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

La Figura 4, muestra el error absoluto teórico total, estimado mediante la Ec. 1 (no linealidad, cero y ganancia), tomando en cuenta los parámetros internos del microcontrolador.

Figura 4. Error absoluto teórico total estimado mediante la Ec. 1, tomando en cuenta los parámetros internos del microcontrolador.

La Figura 5, muestra el error absoluto experimental total (no linealidad, cero y ganancia), obtenido a través del microcontrolador.

Figura 5. Error absoluto experimental obtenido a través del microcontrolador, donde la resistencia de referencia RR = 7,83kW, y cuando la resistencia del sensor termistor RT está dentro del rango 1,441kW < RT < 17,610kW.

3. Discusión de los resultados

De acuerdo con los datos mostrados en la Figura 4, se puede apreciar que existe un error relativo teórico total calculado a fondo escala, estimado mediante la ecuación. 1, del 0,859 % máximo.

Con los datos dados se ha obtenido un error experimental referido a fondo escala de 0,8 % máximo que coincide con lo expresado teóricamente, verificando el análisis teórico.

III. CONCLUSIONES

1. Es posible desarrollar un circuito electrónico para conectar un sensor de tipo termistor a los puertos digitales de un microcontrolador.

2. A través de dicha interfaz se puede obtener una señal digital (o casi digital) directa que contenga la información suministrada por el sensor.

3. Se logró implementar dicha interfaz al más bajo costo en lo económico, muy simple y fácil de manejarse.

4. El diseño de este sistema y su implementación han sido desarrollados de tal manera que cubrirán las expectativas y necesidades, y además servirá de gran ayuda para la industria moderna, beneficiando a técnicos e ingenieros.

5. Para 8 bits de resolución, se obtuvo un error relativo experimental total calculado a fondo escala del 0,8 % máximo.

IV. REFERENCIAS

1. Natarajan, S. Widely Linear Temperatura-To-Frequency Converters. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement., Vol. IM-24, Nº. 3, 1975, 235-239 pp.        [ Links ]

2. Baker C, Bonnie., Thermistors in Single Supply Temperature Sensing Circuits, AN685, Microchip Techonology INC., 199, 8-9 pp.        [ Links ]

3. Custodio, A., Contribución al diseño de interfaces de señal en sensors inteligentes. Tesis Doctoral, Barcelona, España. 2000, 368 p.        [ Links ]

4. Custoido, A., Pallas-Areny, R., Bragós, R., Lead compensation in PWM Sensor interface Barcelona, España. Mayo 2000, 1- 6 pp.        [ Links ]