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Sistema de control de temperatura con LabVIEW y Microcontrolador
ATMEL328P
Jorge Serrano Reyes
[email protected]
RESUMEN: Hoy día se han aumentado la
cantidad de herramientas digitales disponibles que
facilitan el diseño de sistemas de control automático y
combinar adecuadamente las bondades de cada
herramienta adquiere importancia. En este proyecto se
presenta el trabajo conjunto del programa LabVIEW y un
microcontrolador Atmel 328p integrado en la arquitectura
del proyecto denominado ARDUINO.
Se utiliza LabVIEW para generar una rutina que permite
el control de temperatura, aprovechado las facilidades
de la programación gráfica y al microcontrolador como
ejecutor de las acciones beneficiándonos de la
programación de alto nivel del editor ARDUINO. Con el
objetivo de un control robusto y bajo la consigna de un
control proporcional.
PALABRAS CLAVE: Control digital, Electrónica de
potencia, Microcontrolador, LabVIEW.
Este recorte de la onda se realiza para cada semiciclo
de la onda de voltaje utilizando un tiristor llamado triac.
El triac puede conducir en cualquier dirección una vez
que se excede su voltaje de transición conductiva [1].
Para hacer el recorte efectivo de la onda se envía una
corriente a la compuerta de triac en el momento
oportuno, luego el triac se mantiene en funcionamiento
hasta que el voltaje del triac sea menor que su voltaje
de transición conductiva [3].
El momento oportuno de funcionamiento se determina
con un tren de pulsos sincronizados con el instante en el
que la onda de voltaje pasa por cero voltios.
En la figura 1 se muestra el circuito utilizado para
determinar el cruce por cero. Se muestra un puente de
diodos, utilizado normalmente para la rectificación de
onda completa pero, en este caso sin el capacitor.
VCC
5V
1 INTRODUCCIÓN
10kΩ
El proyecto fue construido con la finalidad de
resolver un problema práctico que consiste en controlar
la temperatura media de un recinto pequeño. Para esta
tarea se ha diseñado un sistema que consiste de una
cámara cúbica, calentadores con focos incandescentes,
un sensor de temperatura y dos abanicos.
R2
1kΩ
120 Vrms V2
60 Hz
0°
2
T2
4
Para realizar un mejor control se hace uso de la
electrónica de potencia y medios digitales.
Las tecnologías utilizadas en el proyecto pueden inspirar
otras aplicaciones como por ejemplo: en el control de
potencia de AC por ángulo de fase.
2 COMPONENTES DEL SISTEMA
2.1 CONTROLADOR DE POTENCIA
POR ANGULO DE FASE
AC
Para el control de intensidad de focos
incandescentes se ha seleccionado una forma que
controla la cantidad de potencia suministrada al foco
haciendo un recorte de la onda de voltaje del AC.
1
VEE
V1
5V
12 V
R7
12kΩ
D2
R5
1
3
La función de los calentadores será de incrementar la
temperatura y la de los abanicos de bajar la temperatura
hasta la temperatura ambiente.
R1
R4
1kΩ
LF353N R3 30kΩ
1kΩ
Salida
R6
15kΩ
V3
-12 V
Figura 1. Circuito detector del cruce por cero.
El puente de diodos le proporciona al amplificador
una onda con el doble de la frecuencia de la red, en este
caso para una red de 60 hz, tenemos en el amplificador
una onda de 120 hz.
El amplificador está en la configuración de
comparador. Compara el valor de la onda con un valor
muy cercano a cero. El resto del circuito es un conjunto
de resistencias que acomodan la salida del amplificador
dentro de los rangos digitales de cinco voltios y un valor
menor a un voltio.
En la figura 2 se muestra el resultado del circuito
detector del cruce por cero, medido utilizando una tarjeta
de adquisición de datos DAQ 6009 y graficada utilizando
LabVIEW [5].
afectada por el resto de las tareas del microcontrolador,
como la obtención del nuevo tiempo de disparo.
El dispositivo DAQ provee al microcontrolador de
una señal analógica proporcional al nuevo tiempo de
disparo, medido por la entrada analógica del
microcontrolador.
2.2 PROGRAMA
LABVIEW
DE
CONTROL
EN
LabVIEW es un programa basado en el flujo de
dados en lugar de un listado de instrucciones
secuenciales [6].
Figura 2. Resultado del detector de cruce por cero.
Una vez que se tiene la señal de sincronización
esta va hacia un microcontrolador Atmel 328p.
El microcontrolador utilizado se encuentra montado
una tarjeta llamada Duemilanove, diseñada como open
hardware o de arquitectura abierta, por el proyecto
ARDUINO. Tiene las ventajas de tener un circuito
UART(universal asynchronous receiver/transmitter)
que le permite ser conectado al puerto usb y que
puede ser colocado directamente en una
aplicación.
La tarea del microcontrolador, es temporizar la
activación del triac según los parámetros dados a través
de un voltaje analógico de entrada.
El la figura 3 se muestra el diagrama de flujo, que
indica el curso de acción del microcontrolador.
Además, ofrece una interfaz gráfica con el usuario
del programa, configurable según las necesidades para
facilitar las tareas de monitoreo y control.
Para este proyecto se ha decidido dejar las tareas
de análisis y manejo de la ley de control al programa en
labVIEW, de esta manera el usuario siempre tendrá la
opción de cambiar los parámetros de control sin
necesidad de parar y reprogramar el microcontrolador,
es decir poder intervenir en el sistema ON LINE.
Las características del sistema del sistema de
control impuesto son: Control en lazo cerrado y
controlador proporcional.
La realimentación del sistema viene dada por la
medición de temperatura. Bajo la premisa de un sistema
de medición de temperatura de bajo costo y una
precisión en el rango de medio grado centígrado, se
seleccionó el sensor semiconductor LM35. Este sensor
es de fácil implementación a un sistema digital debido a
su salida previamente calibrada de 10mV/ºC [4].
Para su instalación en el circuito se le ha añadido un
filtro RC para disminuir el ruido.
El controlador proporcional consiste en una
ganancia para hacer la acción proporcional al error
medido [2].
La siguiente ecuación describe la acción del control
proporcional en función del error de la temperatura:
Ysalida  K p et 
(1)
Se ha descrito una función lineal para traducir
Ysalida
en un tiempo de disparo del triac:
Tdisparo  Tactual  Ysalida
Figura 3. Diagrama de flujo del programa en el
microcontrolador.
Se ha dispuesto conectar la señal de detección de
cruce por cero como generadora de una interrupción
externa. De esta manera la sincronización es menos
2
(2)
Donde Tactual, corresponde al tiempo de retardo del
cálculo anterior. De esta manera al momento en el que
el error sea cero, el tiempo de retardo seguirá siendo el
mismo es decir, mantiene el mismo ángulo de disparo.
En la figura 4, se muestra la sección del programa
en LabVIEW para el cálculo del retardo. Existen otro
detalles prácticos que se tomaron en cuenta, por
ejemplo cuando el valor del retardo es mayor que el
máximo y menor que el mínimo.
3 VENTAJAS DE LA ARQUITECTURA
SELECCIONADA
El sistema mostrado tiene ventajas con respecto a
un sistema on/off, utilizando relé, ya que no produce
ruido y puede conmutar con mayor rapidez.
El DAQ tiene ventajas como dispositivo de adquisición
de datos frente al microcontrolador debido a que su
resolución es mucho mayor.
Debido a la desventaja del DAQ versión estudiantil para
generar señales con rapidez es necesario una interfaz
con el circuito de potencia. El microcontrolador tiene la
ventaja de tener un reloj interno con una frecuencia alta
que le permite sincronizarse con procesos que requieren
tiempos muy cortos en un rango preciso de
milisegundos.
Figura 4. Diagrama de bloques del control proporcional.
La DAQ como se muestra en la figura 4, tiene las
dos tareas descritas como lectura y escritura con dos
subvi.
Para los abanicos se utiliza una sección de
programa similar a la indicada en la figura 4, con la
excepción que el valor a escribir para esta tarea es
diferente y actúan solo cuando es necesario bajar la
temperatura.
En la figura 5, se muestra el entorno gráfico
diseñado que incluye una ventana para las grafica de
temperatura, controles para opciones manuales y los
controles para indicar los rangos de temperatura
deseados.
Si se requiriera, el microcontrolador puede realizar
el control de forma autónoma debido que puede
programarse en su memoria la ecuación de control.
4 APLICACIONES
Este proyecto tiene aplicaciones prácticas en el
control de temperatura en recintos cerrados, como el
control de temperatura ambiental de un biodigestor para
producción de biogás. Donde las temperaturas promedio
deben estar por encima de la temperatura ambiental
exterior.
Parte del proyecto puede aplicase como un control
digital de iluminación con lámparas incandescentes.
También puede ser utilizado para el control de potencia
en focos infrarrojos utilizados con fines terapéuticos.
5 CONCLUSION
Como resultado se logra mantener una
temperatura media en un sistema con una constante de
tiempo de 1 minuto. La combinación de las herramientas
de programación y de dispositivos logra darle flexibilidad
para un rango de aplicación amplio.
6 REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
Figura 5. Interfaz diseñada en LabVIEW.
[4]
[5]
[6]
3
Chapman, Stephen J. “Máquinas Eléctricas”. 4nd. ed.
McGraw-Hill Interamericana. Septiembre 2005.
Norman S.Nisse, “Sistemas de control para ingeniería”. 3nd.
ed. Grupo Editoreal PATRIA. pp 20-29.
Onsemiconductor,
”Thyristor
Theory
and
Design
Considerations Handbook”, [En línea]. 2005.
Disponible en: http://www.onsemi.com.
National Semiconductor, “LM35 Precision Centigrade
Temperature sensor”, Noviembre 2000. [En línea].
National Instruments, “User Guide and Specification DAQ
6008/6009”. Julio 2005.
National Instruments, “LabVIEW Basic I Course Manual”.
Septiembre 2000.