Prácticas de Instrumentación Voltímetro Digital
Miguel Ceballos; Verónica López; Luis López; Ángel Mendoza; Martín Silva INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COLIMA
Departamento de Ingeniería Mecatrónica
Av. Tecnológico No. 1 villa de Álvarez C.P. 28976 Tel: 312 99 20 Fax: 314 0683.
Resumen— En el presente reporte se mostrara de una forma clara y entendible para personas con bajo conocimiento en el área de instrumentación, como realizar una práctica de un voltímetro digital, con ayuda del conocimiento de realizar arreglos de resistencia, asimismo nos apoyaremos con material didáctico como son imágenes, códigos de programación y videos; con la finalidad de que dicho reporte en mención sea una guía o comúnmente como una receta, de la realización de la práctica de un voltímetro digital.
I. INTRODUCCIÓN
En el presente documento es una guía de cómo se puede realizar voltímetro digital, donde se aprenderá paso por paso y con explicaciones claras que materiales son los que se utilizan. El voltímetro digital indica la tensión en forma numérica en una pantalla de cristal líquido (LCD).
Además pueden tener prestaciones adicionales como la memoria, la detección de valor de pico, el verdadero valor eficaz (RMS), y el autor rango entre otras.
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Realizar un voltímetro digital que pueda medir valores de voltaje directo maniobrando un rango de 0 hasta 100 v.
III. MARCO TEÓRICO
Un divisor de voltaje consta de al menos dos resistencias en serie con una fuente de voltaje. Para dos resistencias el voltaje se divide de acuerdo con
(Vout = Vin R1 / (R1 + R2) ) y (Vin = Vout R2 / (R1 + R2)).
Figura 1. Divisor de voltaje
Microcontrolador (PIC 16f877A)
Es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de una computadora completa en un solo circuito integrado programable y se destina a gobernar una sola tarea con el programa que reside en su memoria. Sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar.
Figura 2. Pic PIC 16f877A
XTAL (cristal)
Dentro de la carcasa de metal es una
pequeña pieza de cristal de cuarzo que se
ha cortado con precisión en tamaño de modo que la pieza de cristal vibra a una frecuencia específica. El valor del cristal generalmente es de 4Mhz. o 10Mhz.
Figura 3. Cristal utilizado para la frecuencia de ejecución que utiliza el pic.
Capacitor cerámico
Los capacitores cerámicos son utilizados en circuitos resonantes, alta frecuencia y acoplamiento, dieléctricos de temperatura compensada, estabilidad dieléctrica y otras aplicaciones.
Figura 4. Capacitor cerámico utilizado para el buen funcionamiento del pic.
ADC (convertidor analógico-digital) El convertidor analógico-digital, ADC por sus siglas en inglés, la conversión analógico-digital consiste en transformar valores analógicos en digitales. Es el proceso inverso a la D/A. En este caso, a cada valor aplicado en la entrada del conversor le corresponde un valor digital de salida, dentro de los que puede generar el conversor.
Display LCD (16 x 2)
Las pantallas LCD están construidas en base a un material cuya polarización de la luz varía en presencia de un campo eléctrico denominado cristal liquido, este display funciona gracias a un circuito interno el cual hace que cuando el display se conecte al microcontrolador de forma correcta y por una serie de instrucciones, en la pantalla muestre los caracteres que se quieren.
Figura 5. LCD (display) utilizado para la impresión de resultados.
PCWHD
Compilador C de la firma CCS (Custom Computer Services). Lenguaje de alto nivel que contiene las funciones y librerías necesarias para el diseño de cualquier aplicación basada en microcontroladores PIC: matemáticas, control de protocolos serie, I2C, etc. La versión PCWHD admite todos los dispositivos PIC de las gamas baja (12xxx), media (16xxx) y alta (18xxxx), con núcleos de 12, 14 y 16 bits respectivamente y los nuevos PIC24/dsPIC de 24 bits.
ISIS Proteus
El Programa ISIS, Intelligent Schematic Input System (Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente) permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea realizar con componentes muy variados, desde simples resistencias, hasta alguno que otro microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentación, generadores de señales y muchos otros componentes con prestaciones diferentes. Los diseños realizados en Isis pueden ser simulados en tiempo real, mediante el módulo VSM, asociado directamente con ISIS.
Figura 6. Programa simulador de circuitos electronicos.
Programador MINIPROG+
Es una herramienta de programación y depuración profesional para la familia de microcontroladores PIC. Con dicho programador se le graba al pic el programa creado y compilado en el programa de la figura 7.
Figura 7. Programador
PICKIT
Es una familia de programadores de microcontroladores PIC realizados por Microchip Technology. Se utilizan para programción y depuración de microcontroladores.
Figura 8. Programa para grabar el código al Microcontrolador.
Potenciómetro
Es una resistencia eléctrica de valor variable, su valor óhmico se regula normalmente por una ruleta que se desliza sobre una película de carbón o bien un arroyamiento de hilo progresivo, modificando así el valor de su resistencia eléctrica.
Figura 9. Potenciómetro utilizado en esta práctica.
Resistencia
Mayor o menor oposición que ofrecen los cuerpos conductores al paso de la corriente eléctrica, la unidad que mide la resistencia es el Ω, en la práctica se usará cierto número de resistencias las cuales se parecen a la de la Fig. 10, estas resistencias tienen 2 pines, no tienen polaridad y pueden tener un gran número de resistencia el cual es determinado por los colores de las franjas que tiene.
Figura 10. Resistencia
Protoboard
Tablero con orificios conectados eléctricamente entre sí, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se Pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares.
Figura 11. Protoboard
IV. LISTA DE MATERIALES
1 PIC 16f877A
1 Resistencia de 10KΩ
1 Cristal de cuarzo de 4MHz
1 Resistencia de 330Ω
1 Potenciómetro de 5KΩ
1 Display LCD 16 x 2
2 Capacitores cerámicos de 22pF
Cables para conectar en protoboard
1 trimpot 2K
1 Fuente variable de CD.
1 MINIPROG+
1 Cable de USB A a USB B
1 Computadora con ISIS proteus, PICkit y PCWHD
1 Protoboard
V.
DESARROLLO
Para realizar la práctica primeramente se deben tener todos los materiales a la mano, tanto la computadora con los 3 software necesarios y los materiales físicos.
Primer paso. Conexión del circuito en el software ISIS Proteus, con todos los componentes de dicho circuito.
Figura 12. Circuito del voltímetro digital
Segundo paso. Se identifica las variantes de la problemática, y para solucionarlas se crea un programa en el PCWHD (el programa de este sensor se anexa al final de este archivo).
Tercer paso. Se le carga el programa al Microcontrolador del circuito conectado en ISIS Proteus, esto se lleva acabo dando doble clic y cargando el archivo .hex creado al compilar el programa. Se
continúa realizando la simulación para cerciorarse de que el programa cumple con las especificaciones necesarias para satisfacer la problemática actual.
Figura 13. Simulación del circuito del voltímetro digital
Cuarto paso. Una vez que la simulación del sensor funciona como se desea que lo haga el circuito en físico, se le carga el programa al pic 16f8877A utilizando el programador MINIPROG+ y el software PICkit.
Nota. Se sigue cargando el programa con la extensión .hex
Quinto paso. Se procede a comenzar a conectar el circuito en la protoboard.
Primeramente se conecta el pic 16f8877A, de ahí se le conectan los componentes necesarios:
- 1 resistencia de 10kΩ de la alimentación positiva al pin 1 del pic. El número de pin del pic se puede ver en la figura 15.
- 2 capacitores de 22pF conectados desde tierra, uno al pin 14 y el otro al pin 15 del pic.
- 1 Cristal de cuarzo de 4MHz conectado entre el pin 14 y el pin 15, cabe destacar que el cristal no posee polaridad.
- El pin 11 y 32 del pic se conectan
a la alimentación positiva. El pin
12 y 31 se conectan a tierra.
Figura 14. Numeración de los pines del pic 16F877A según el datasheet.
Sexto paso. Conexión de la LCD al pic y un potenciómetro de 5kΩ según como se muestra en la figura 15..La fuente de voltaje que se muestra en dicha figura en forma de triángulo, es una conexión a la alimentación positiva de una de las terminales que está en un extremo del potenciómetro.
Nota. El potenciómetro de 5kΩ solo se utiliza para regular el contraste de la LDC
Figura 15. Conexión de la LCD.
Séptimo paso. Se identifica plenamente el tipo de arreglo de resistencias para el divisor de tención.
Octavo paso. Se realizan las fórmulas (ya mencionada en la parte de la teora) para calcular y obtener el voltaje y resistencias que contendrá el arreglo para tener la salida de voltaje del divisor de tensión.
Figura 17. Adaptación del potenciómetro al transportador.
Noveno paso. Se hace la conexión
respectivamente en el pic y se coloca el cable del Voltaje de salida del divisor de tensión a la patita del pic que lee el ADC, en este caso es la RA0.
Decimo paso. Se alimenta el circuito con 5V. y el circuito divisor de tensión con un voltaje variable, es importante mencionar el voltaje limite que deberá de pasar por el divisor de tención. También es importante mencionar que se debe de puentear la tierra común con la tierra de la fuente.
Undécimo paso. Probar que el sensor funciona correctamente. Esto se hace variando el voltaje de la fuente DC sin rebasar sus límites de medición.
Conclusión. Una de las dificultades que se tuvieron para este circuito es primeramente encontrar el método para lograr obtener el divisor de voltaje y calcular el voltaje de salida y las resistencias por las que pasaba el voltaje.
De una vez que se encontró la forma de
sacar un voltaje minino de un divisor de
tensión, se facilitaron mucho las cosas.
VI. ANEXO 1. SIMULACION EN EL PROGRAMA ISIS PROTEUS
Figura 18. Circuito del voltímetro Digital.
