INFORME - Departamento de Electrónica

UTN F.R.B.A. Ingeniería Electrónica.
Materia: Informática II . Curso R2001
Docente: Ing. Marcelo Guira
Auxiliar: Mariana Prieto
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES
Departamento de Electrónica
Cátedra: Informática II
Curso:R2001
Docente: Ing. Marcelo Guira
Auxiliar: Mariana prieto
LUXÓMETRO DIGITAL
Integrantes:




Papandrea, Sebastian
Ravagnan, Matias
Argani, Ovidio
Celasco, Fernando
Proyecto: Luxómetro Digital
Alumnos: Papandrea; Ravagnan; Argani; Celasco
INFORME GENERAL
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Materia: Informática II . Curso R2001
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Descripción General
El proyecto presentado conforma un instrumento de medición, este tiene como variable física a
medir a la luminancia y como unidad de media el Lux. Para lograr tal cometido se trabajó con un
sensor capaz de relacionar la variable física, la luminancia, con una variable eléctrica, la corriente.
Como la variable eléctrica que entrega el sensor en función de la luminancia que recibe es una
corriente, se coloco un transductor a la salida del sensor para pasar de corriente a tensión y para
amplificar tos niveles de la señal provista por el censor.
La salida de transductor es inyectada en el conversor A/D, el cual tiene como finalidad discretizar
los valores analógicos de tensión en valores digitales que representen en forma discreta a estos
últimos.
Para lograr el funcionamiento y sincronización de todo el conjunto se trabajó sobre un core51, este
se encarga de controlar el ADC, la comunicación serie, el teclado, el display y las resistencias de realimentación del operacional para el cambio de escala. Ademas por medio de la comunicación serie,
a través del protocolo RS-232, el micro controlador se comunica con la PC, donde debe estar
corriendo un software de control el cual muestra en pantalla el nivel de luz y a su vez permite
algunos controles sobre el sistema, tales como el cambio de escala, mostrar el valor máximo, etc.
Las características principales del instrumento son:
 Tres escalas de intensidad de luz (0-200 ; 200-2000 ; 2000-20000 Lúmenes), cada una de las
cuales tiene una configuración de re-alimentación del transductor (amp. Operacional) para
mantener lineal la respuesta del equipo.
 La posibilidad de mostrar el valor máx. de luz medido desde el último cambio de escala.
 Se puede freezar o hacer un hold de la información en pantalla a través de un botón que se
encuentra en el receptor del equipo.
 También cuenta con la opción de Auto escala, la cual acomoda la escala del equipo según el
nivel de luz recibido.
Diagrama en bloques básico
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Descripción de cada bloque:
Etapa 1: Sensor
El sensor se basa en un foto-diodo de silicio especialmente construido para mediciones de luz, a
diferencia de otros foto-diodos construidos sólo para la detección de presencia de luz. Si bien
existen diversos modelos, el circuito se elaboró para el modelo S7686 de Hamamatsu Photonics
K.K. (Se adjunta hoja de datos). El mismo cuenta con características constructivas que intentan
asemejar sus curvas características a las curvas características de recepción de luz del ojo humano.
De esta forma, tal como se explicó anteriormente, puede captarse correctamente la luminancia. De
otra forma estaríamos captando la potencia luminosa total sobre la superficie del foto-diodo, con
cada frecuencia con la potencia que llega realmente a la superficie pero no la luminancia (donde
cada frecuencia debe estar ponderada por la curva de respuesta del ojo humano).
Dicho foto-diodo cuenta con una curva de respuesta que abarca todo el espectro visible, y lleva
colocado un filtro cristalino en la superficie que está calibrado con la curva del “observador
estándar”.
Si bien probamos con otro modelo de foto-diodo que se consigue en el mercado local (Vishay
BPW34) la respuesta no era adecuada en un rango muy amplio de iluminancia, por lo que había que
recortar el rango de uso del instrumento por debajo de los 5000 lx. Con el Hamamatsu S7686
logramos una respuesta adecuado a un rango más amplio, cubriendo nuestras necesidades.
La etapa del sensor se encuentra separada del gabinete principal para poder maniobrar la ubicación
de forma deseada y poder leer de forma cómoda la pantalla indicadora.
El foto-diodo se encuentra soldado a una placa. En la parte exterior del gabinete donde se encuentra
el sensor, encontramos una ventana rectangular tamaño fijo cubierta con una lámina acrílica
difusora. De esta forma atenuamos levemente la luz que ingresa al sensor para adecuarlo a la escala
de nuestro instrumento. Es decir, para adecuar la corriente que circula por el foto-diodo (que es
función de la iluminancia que recibe) a la entrada de la etapa amplificadora. De otro modo la etapa
amplificadora saturaría cuando no debe hacerlo, sacando de escala a la etapa de salida.
Se adjuntan las hojas de datos del foto-diodo donde puede observarse la comparación de su curva de
respuesta espectral comparada con la curva CIE.
Asimismo el presente foto-diodo cuenta con una corriente de obscuridad (Dark current) del orden
de los pA (tip: 2pA, max: 20pA) lo cual hace que la tensión de salida sea mínima y por lo tanto la
iluminancia observada en la pantalla sea cero.
Etapa 2: Transductor - Amplificador
La etapa transductora - amplificadora se basa en un amplificador operacional con re-alimentación
negativa variable de acuerdo a la escala que se desea utilizar, observando en la salida del mismo una
tensión proporcional a la corriente que pasa por el foto-diodo (que a su vez es función de la
iluminancia como ya se explicó).
La elección del amplificador operacional se basó en los siguientes criterios:
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-
Impedancia de entrada lo más alta posible: La corriente de cortocircuito del foto-diodo (es
decir, cuando recibe luz) es pequeña (del orden de los uA), y dado que lo que se quiere
sensar en la salida es una tensión proporcional a la misma, debíamos evitar que se drene
parte de la misma por la entrada del amplificador operacional.
-
Operación con fuente simple: El equipo debía funcionar con un transformador 220v/12v
500 mA para simplificar el diseño, por lo que no se podía disponer de un amplificador
operacional que requiera una fuente partida.
El circuito integrado seleccionado fue el TLC272 de Texas Instruments. El mismo cuenta con una
etapa de entrada basada en FET con lo que logra una altísima impedancia de entrada del orden de
los 1012 Ω (tip). También permite el funcionamiento con fuente simple y 9V (posee un rango de
funcionamiento entre 3V y 16V para temperatura ambiente), el mismo recibe la entrada de la etapa
sensor en sus patas 2 y 3, siendo esta última referida a masa tal como se observa en el esquema del
circuito. La salida se encuentra en la pata 6 y de allí parte la re-alimentación
Para la re-alimentación se utilizan tres caminos separados y seleccionables mediante el multiplexor
CD4051BC. Cada camino está ajustado para lograr una escala diferente y mantener la linealidad en
la medición. En nuestro caso son: x1 (0-200 Lux); x10 (200-2000 Lux) y x100 (2000-20000).
En cada uno de los caminos, se utilizó un resistor de valor comercial adecuado para proporcionar
una salida equivalente a la mitad de la escala deseada en tensión, y luego se colocó en serie un
potenciómetro del mismo orden que permita variar la resistencia total alrededor de una unidad del
orden dicho para poder calibrar el aparato.
El criterio que se utilizó fue el siguiente:
Debíamos adecuar el fondo de cada una de las escalas a 3.3V que es la tensión de referencia que usa
el conversor A/D integrado en el micro-controlador. De la hoja de datos obtenemos que para 100lx
la corriente de cortocircuito (en adelante Isc) es Isc = 0,45 uA por lo que a 100 lux R = (2,5V / 3) /
0,45 uA = 1,85 MOhm. Sin embargo se adoptó un valor de 2,2MOhm, dado que el filtro óptico que
protege al sensor reduce la intensidad lumínica que incide en el mismo. En serie con el mismo se
colocó un potenciómetro de 500 KOhm para ajustar por la tolerancia de la resistencia de realimentación y por la del multiplexor analógico que permite seleccionar las tres escalas. Con las
demás escalas se procede de igual forma, pero al ser 10 y 100 veces mayores y sabiendo que en esta
configuración la transferencia del amplificador varía linealmente con la resistencia sabemos que las
resistencias serán 10 y 100 veces menores.
Etapa 3: Salida
Se utilizó como tercer etapa un micro-controlador un C8051F020 (en adelante U1). Se eligió el
mismo dado que presenta varias ventajas tanto en lo comercial como para el desarrollo, a saber:
Tiene una arquitectura Core51, ampliamente estudiada por todos los integrantes del grupo en
Informática II. Nos ofrece una escalabilidad de producto, dado que es un MCU poderoso y con
múltiples periféricos. Esto nos permite contemplar a futuro la posibilidad de agregar otros
transductores y medir así otras magnitudes en un mismo aparato. Usar un micro-controlador en vez
de un voltímetro nos permite la comunicación serie con una PC y un mayor manejo y
procesamiento de la señal.
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El MCU se conecta con:
- La salida del transductor, que ingresa al ADC, para luego procesar la señal recibida.
Las teclas de control del equipo, para controlar sus funciones.
- Al multiplexor analógico (en adelante U4) para seleccionar entre las diferentes escalas.
- A un display de 6 dígitos de 7 segmentos, donde se muestra el valor cada un período de
tiempo regulado en 0,5 Seg.
- La PC, la cual cada un período de tiempo envía un comando pidiéndole al MCU el valor de
medición, y ademas a través de la misma se pueden controlar algunas de las funciones del
equipo.
Etapa 4: Pulsadores
Esta etapa tan simple permite el control sobre el instrumento, consta de micro-pulsadores normal
abierto, los cuales tiene la función de:





Cambiar la escala: Por cada pulso, se podrá seleccionar la escala en forma cíclica.
Congelar la imagen del display: Esta función “Hold” permite congelar la ultima medición.
El pulsador alterna entre HOLD y el VALOR de medición.
Activar o desactivar la función de Auto Escala.
Mostrar en el display el valor máximo: Este pulsador alterna en el display el valor máximo
medido desde el último cambio de escala, o el valor de medición.
Reset: Este pulsador permite restablecer el sistema en caso de este presente alguna anomalía
y sea necesario por otros motivos.
Etapa 4: Display
Esta etapa consta de seis display de 7 segmentos en configuración ánodo común. Mediante estos se
informa la medición obtenida cada un período de 0,5 Seg. Este es controlado por la parte de
“firmware” del sistema y su tiempo de refresco es de 2,5 mSeg.
Las funciones de Escala y de Auto escala son informadas a través de mensajes que se escriben en el
display. En el caso de la primera, la leyenda dice: “ESCALA” → Nro. de Escala y valor del
multiplicador → Valor de medición. Los primeros dos mensajes se muestran durante 2 segundos
para luego quedar mostrando nuevamente el valor obtenido. En el caso de la segunda función (Auto
Escala) la leyenda dirá: “Auto ON/OFF (dependiendo del estado de configuración del mismo)”, este
mensaje también se muestra durante un período de 2 segundos para luego volver a mostrar el valor
de medición.
Etapa 5: ADC
El conversor Analógico Digital que se utilizó es el que viene integrado en el Micro-controlador. El
mismo es un conversor del tipo SAR de 12 bits. Está configurado de manera que la conversión se
realice permanentemente. Entonces el valor es consultado por la parte de firmware, y se realiza un
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promedio de diez mediciones cada un período de 60 mSeg aprox. Antes de guardar el valor en el
buffer que será leído por las funciones primitivas del código. Se tomó la decisión de hacer un
promedio para eliminar las variaciones que se tenían de la mediciones ya que al ser un conversor
del tipo SAR, este entregaba un valor poco estable si se consultaba sólo una vez cada un período
completo de tiempo.
Etapa 6: PC
En la etapa de la PC, se encuentra un software desarrollado en WxWidgets, el cual manda un
comando de consulta del valor de luz obtenido cada un período determinado de tiempo. Luego de
enviar el mismo queda esperando la respuesta del micro, para luego mostrarla de forma numérica y
gráfica en la pantalla de la PC. A su vez el software permite controlar dos de las funciones del
equipo a través de dos botones que tiene en la parte inferior, estas funciones son las de “Aumentar
escala” y la “Mostrar el valor máximo” y funcionan enviándole un comando al micro-controlador
para que éste ejecute las funciones requeridas.
El control sobre el puerto serie de la PC se realizo con las clases desarrolladas por el ayudante
Ezequiel Miravalles. El esquema básico del código del software son dos timers: una para la
recepción y el otro para el envío de comandos.
Acerca del código en el MCU:
El código en el micro fue estructurado de manera modular. El mismo tiene 4 etapas: una de
configuración, una de funciones primitivas, otra de buffers, y por ultimo el manejo del hardware a
través de las funciones de firmware.
Las funciones primitivas del main son cuatro:
 Display_SW: tiene una maquina de estados para mostrar los distintos mensajes que hacen al
estado del equipo y al valor de lectura, la misma usa como salida el buffer de display.
 Teclado_SW: resuelve lo que llega por el buffer de teclado, maneja los flags y los estados de
la función Display_SW.
 Resuelvo_Datos: esta función se encarga del manejo de los datos que llegan por el buffer del
ADC, la misma prepara los datos para mostrar, para enviar y, de acuerdo con los flags de
configuración, prepara los datos de valor máximo o freeza el valor actual.
 Sube_Escala: esta función surgió de la necesidad de ahorrar código, ya que es una rutina que
se repetía en muchas de las funciones, se encarga del procedimiento de subir la escala. Es
llamada por Teclado_SW; Resuelvo_Datos; Serie.
Las funciones de firmware constan de:
 Timer tic: éste es el timer principal del software, maneja todos los tiempos de ejecución para
todas las demás funciones, ademas llama a la función de lectura de ADC, de teclado y de
escritura en display.
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



Teclado_HW: es la función encargada de leer el teclado y junto con la función de antirebote se encarga de escribir de manera segura en el buffer de teclado cual fue la tecla
activada por el usuario. Esta función es llamada por el timer tic.
Display_HW: se encarga del refresco de los display de 7 segmentos, toma los datos que
están en el buffer de display y los imprime adecuadamente. Esta función es llamada por el
timer tic.
ADC: esta función toma los datos que entrega el conversor A/D del equipo, asegurándose
primero que se haya finalizado la conversión, y los escribe de manera adecuada en el buffer
de ADC. Ademas una vez realizado el relevamiento de datos dispara la próxima lectura.
Esta función es llamada por el timer tic.
Serie: Esta función es activada por la interrupción inherente a la comunicación serie del
MCU, controla la comunicación con la PC, se encarga de chequear el comando recibido y
enviar el dato correspondiente, o bien modificar los flags si es que el comando que llegó lo
requiere.
Esquemáticos y componentes:
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LISTADO DE COMPONENTES
Tipo
Valor nominal
Resistor
1M
Resistor
100 K
Resistor
1K
Resistor
Tolerancia
5%
5%
5%
5%
Potencia Modelo
0,25W
0,25W
0,25W
0,25W
Cantidad
1
1
1
1
Potenciómetro
lineal
Potenciómetro
lineal
Potenciómetro
lineal
Capacitor
Multiplexor
Fotodiodo
Operacional
0,01uF
20%
1
CD4051BC 1
S7686
1
TLC 272
1
Introducción teórica
El mesurando del presente instrumento (en adelante luxómetro) es la luminancia captada en la
superficie del sensor.
La luminancia se refiere a la cantidad de Flujo luminoso que incide sobre una superficie (unidad de
área). Su unidad es el Lux (lx) y se define como:
lx 
lm
m2
(lm: Lumen, m: metro)
El Flujo luminoso es la medida de la potencia de la luz percibida. Está ajustada para reflejar la
sensibilidad variable del ojo humano a diferentes longitudes de onda. Es decir, está ponderada
según la curva del “Observador estándar” (es una curva determinada internacionalmente que
equivale a la respuesta del ojo humano promedio para las distintas frecuencias, encontrándose el
pico máximo cercano al verde-amarillo, o 555nm). Su unidad es el Lumen (lm) y se define como:
lm cd.sr
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(cd: candela, sr: estereoradián)
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Nota: la candela es la unidad básica y se define como “Una sexagésima parte de la luz emitida por
un centímetro cuadrado de platino puro en estado sólido a la temperatura de su punto de fusión
(2046 K)” según el sistema internacional de pesos y medidas.
Para tener una referencia de equivalencia de unidades podemos decir que:
-3
1
lm

1.464
.10
W
(para una luz monocromática a 555nm y 1sr)
La curva del “Observador estándar” (o “Función de luminosidad fotópica, CIE (1931)”)
mediante la cual se integra la potencia radiante para dar lugar al flujo luminoso es la
siguiente:
100
%
0
El concepto de fotópica se refiere a la respuesta del ojo humano durante el día a la luz del sol.
El valor máximo se presenta a 555nm. Durante la noche la respuesta presenta un leve
corrimiento a longitudes de onda más bajas siendo el valor máximo 507nm. Dicha curva se
llama escotópica.
Bajo condiciones fotópicas una luz monocromática de 555 nm con un flujo radiante de 1W,
genera un flujo luminoso de 683,002 lm, que corresponde con la máxima respuesta del ojo
humano.
Las curvas características de las lámparas comerciales de consumo habitual son
aproximadamente (puede varias con distintos modelos):
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Para lámparas incandescentes:
Para lámparas fluorescentes:
Se observa de dichos gráficos que si bien los picos de emisión de energía radiante la tienen en
el espectro visible (con picos cercanos a los del ojo humano), también tienen energía en el
resto del espectro. Al integrar con la curva del “observador estándar” obtendremos sólo las
frecuencias visibles para el ojo y cada una con el “peso” adecuado al mismo.
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Podemos decir entonces que la medición de la iluminancia con el presente luxómetro nos da
la potencia luminosa que percibiría el ojo humano colocado exactamente en la posición del
sensor (la superficie del sensor es similar a la del ojo humano).
Esta breve introducción teórica sirve para dar los conceptos básicos que hacen falta para el
diseño del presente luxómetro. Especialmente para la elección de los componentes
apropiados.
A continuación se brindan algunos valores de referencia de iluminancia en fuentes de luz
habituales que sirvieron para evaluar el rango de operación del instrumento:
Luna llena
0,2 lx
Iluminación de emergencia escape 1 lx
Calle con buena iluminación
Dormitorio
15 a 25 lx
70 a 100 lx
Oficina de uso general
500 lx
Salas de dibujo y cartografía
1000 lx
Quirófano (campo operatorio) 15000 a 25000 lx
Unidades de fotometría del SI
Magnitud
Símb.
Unidad del SI
Abrev.
Notas
Energía luminosa
Flujo luminoso
Intensidad
luminosa
Luminancia
Qv
F
Iv
lumen segundo
lumen (= cd·sr)
candela (= lm/sr)
lm·s
lm
cd
sr : Estereoradián
Una Unidad básica del SI
Lv
Iluminancia
Ev
candela por metro cd/m2
cuadrado
lux (= lm/m2)
lx
Emisión luminosa
Mv
lux (= lm/m2)
lx
lumen por watt
lm·W1
Eficiencia
luminosa
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Usado para medir la incidencia
de la luz sobre una superficie
Usado para medir la luz
emitida por una superficie
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Problemas encontrados a lo largo del desarrollo y sus soluciones
Censor:
Si bien probamos con otro modelo de fotodiodo que se consigue en el mercado local (Vishay
BPW34) la respuesta no era adecuada en un rango muy amplio de iluminancia, por lo que había que
recortar el rango de uso del instrumento por debajo de los 5000 lx.
Con el Hamamatsu S7686 logramos una respuesta adecuado a un rango más amplio, cubriendo
nuestras necesidades.
Transductor – Amplificador:
Luego de mucho buscar el circuito integrado seleccionado fue el TLC272 de Texas Instruments. El
mismo cuenta con una etapa de entrada basada en FET con lo que logra una altísima impedancia de
entrada del orden de los 1012 Ω (tip). También permite el funcionamiento con fuente simple y 9V
(posee un rango de funcionamiento entre 3V y 16V para temperatura ambiente).
Cristal de Clock
Debido a un problema en el circuito, no se pudo hacer funcionar al MCU con el cristal externo de
11,095Mhz, entonces se decidió hacer uso del cristal interno del mismo, funcionando este a 16Mhz
ADC
El conversor utilizado es el que viene integrado en el MCU, éste es de tipo SAR. El problema que
encontramos es que si mostrábamos el valor obtenido de una sola muestra cada el período de
tiempo que estipulábamos, que era de aprox. 0,5 seg la lectura se volvía muy inestable. Resolvimos
este inconveniente haciendo un promedio de diez muestras cada 60mseg, dando así un período total
equivalente al que teníamos establecido. Además se agrego un filtro en paralelo al fotodiodo para
eliminar cualquier frecuencia que pudiera estar alterando la medición, por ejemplo los 50 Hz de las
lámparas de tubo fluorescentes, las cuales se veían claramente en un osciloscopio.
Comunicación Serie
Encontramos un problema en la comunicación serie que fue muy difícil de detectar. En principio lo
que se observaba es que el valor que se enviaba no correspondía con el que se recibía, pero no
podíamos determinar cual era el error. Entonces decidimos hacer un trackeo de la comunicación que
consistió en enviar valores constantes y ver que era lo que se recibía, fue entonces cuando
encontramos que el valor recibido tenia desplazado el nible de mayor peso hacia la derecha y que
ademas en el bit de mayor valor siempre se recibía un “1” lógico. Por ejemplo: si en enviaba un
byte “0110 1111” se recibía “1011 1111”. La única solución que encontramos a este problema, y
luego de pedir asistencia en el dpto. De electrónica, fue utilizar para el envió de datos el nible de
menor peso, que siempre se recibía correctamente.
Histéresis de la función Auto Escala
Durante el desarrollo del software del MCU, nos encontramos con un inconveniente para la función
de Auto Escala, mas precisamente en el ciclo de histéresis de la misma. Pues si el valor estaba cerca
del límite de la escala, la función hacia variar la escala indeterminadamente hacia arriba y abajo,
bloqueando la lectura de la medición. Con lo cual se decidió que el equipo sólo aumente la escala
de ser necesario (siempre y cuando la función esté activada) y no la baje.
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Conclusiones y sugerencias:
-
Sería conveniente reducir el consumo para que el equipo pueda funcionar a batería. El
micro-controlador puede funcionar con 3,3V, por lo tanto eligiendo cuidadosamente el resto
de los componentes se podría hacer funcionar el equipo con una pila de tipo moneda
CR2032.
-
Se podría incorporar al gabinete un accesorio para poder fijarlo a la pared, esto sería útil en
ambientes donde se desea mantener una luminancia constante. Para esto también debería
reducirse el tamaño del gabinete.
-
Incorporando un display LCD se podría reducir el tamaño y el consumo, se podrían agregar
datos en pantalla mientras se muestra la medición añadiendo información como el
multiplicador, si es máximo, si esta congelado, etc; dando también una mejor estética.
-
La experiencia con el equipo demostró que la luminancia es una magnitud altamente
variable respecto de la posición y orientación del equipo. Además, el ojo humano no es muy
sensible a variaciones de la misma.
-
Se podría usar un fotodiodo de menor calidad y abaratar sensiblemente el costo del equipo.
-
En este mismo tenor, se podría reemplazar el MCU por un modelo más económico. Este y el
fotodiodo componen la mayor parte del costo de los componentes.
-
El sistema fue ajustado con un Luxómetro digital comercial, un osciloscopio y un
voltímetro. El equipo demostró comportarse de manera muy fiel, las mediciones son por
demás lineales y estables. Se trabajo mucho a lo largo de las versiones de software para
alcanzar el nivel actual de estabilidad en la lectura.
-
Hemos concluido que una manera muy práctica para el desarrollo del software es afianzar,
antes que nada, todas las funciones que hacen al control del hardware (firmware). De esta
manera uno ya queda en perfecta sincronía con el mismo y todos sus periféricos, para luego
poder trabajar sobre el funcionamiento del software (funciones primitivas), sin tener ya en
cuenta como reacciona el circuito. Fue así que a lo largo de la etapa de programación se nos
fueron ocurriendo funciones del equipo que no estaban diagramadas, pero que
profesionalizaron al instrumento de medición (funciones de Máximo, Auto escala, Hold,
Control desde la PC).
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