Sensor de Angulo

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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 sensor de ángulo, con ayuda del conocimiento de los sensores del tipo resistivos, 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 sensor de ángulo.

I. INTRODUCCIÓN

El presente documento es una guía de cómo se puede realizar un sensor de ángulo digital, donde se aprenderá paso por paso y con explicaciones claras que materiales son los que se utilizan. Un sensor de ángulo es un dispositivo que mide el ángulo en el que se encuentra un objeto el cual proporciona una lectura fija completamente visual para el usuario debido a que es un sensor de ángulo digital.

II. PLANTEAMIENTODEL PROBLEMA

Realizar un sensor de ángulo digital con el cual se interprete claramente y de forma precisa el ángulo en que se encuentra un objeto.

III. MARCOTEÓRICO Transportador

Instrumento de medición de ángulos en grados que viene en dos presentaciones básicas:

- Transportador con forma semicircular graduado en 180°

(grados sexagesimales) o

200g₍_{grados centesimales}_{). Es}

más común que el circular, pero tiene la limitación de que al medir ángulos cóncavos (de más de 180° y menos de 360°), se tiene que realizar una doble medición. Figura [1].

Figura 1. Transportador semicircular.

- Transportador con forma circular graduado en 360°, o 400g_{. (Figura}

2).

Figura 2. Transportador circular. Recomendado para esta práctica.

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

Prácticas de Instrumentación

Sensor de ángulo digital

Miguel Ceballos; Verónica López; Luis López; Ángel Mendoza; Martín Silva INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COLIMA

Departamento de Ingeniería Mecatrónica

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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 3. 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 4. 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 5. 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 6. 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

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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 7. 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 8.

Figura 8. Programador

PICKIT

Es una familia de programadores de microcontroladores PIC realizados por Microchip Technology. Se utilizan para programción y depuración de microcontroladores.

Figura 9. 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 10. 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. 12, 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.

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Figura 11. 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 12. 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  1 Transportador de 360°

 Cables para conectar en protoboard  1 Potenciómetro de 1KΩ

 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 13. Circuito del sensor de ángulo 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 14. Simulación del circuito del sensor de ángulo 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

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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 13 y el otro al pin 14 del pic.

- 1 Cristal de cuarzo de 4MHz conectado entre el pin 13 y el pin 14, 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 15. 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 16. 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 16. Conexión de la LCD.

Séptimo paso. Se le solda al potenciómetro de 1kΩ un cable de aproximadamente 20cm a cada terminal.

Octavo paso. Se adapta al potenciómetro de 1kΩ el transportador de 360° y se le acopla una aguja a la ruleta que varía la resistencia del potenciómetro como se muestra en la siguiente figura.

Nota. Es necesario colocar el potenciómetro a unos 20° del tope inicial justo al 0° del transportador, debido a que en los primero 20° del potenciómetro las medidas no son muy exactas.

Figura 17. Adaptación del potenciómetro al transportador.

Noveno paso. El cable que se le soldó a la terminal de en medio del potenciómetro de 1kΩ se conecta al pin 2 del pic y los otros dos cables soldados que se encuentran en los extremos, uno se conecta a tierra y el otro a voltaje.

Decimo paso. Se alimenta el circuito con 5V. Es importante checar que la fuente que alimenta al circuito no sobrepase los 5V porque quemaría el pic.

Undécimo paso. Probar que el sensor funciona correctamente. Esto se hace variando la posición de la aguja en el transportador y checando que en la LCD se imprima la ubicación en grados de la aguja.

Conclusión. Una de las dificultades presentadas en la práctica fue la calibración del ángulo que marcaba la aguja en el transportador con respecto al ADC. Para poder hacer que el ángulo fuera lo más preciso posible se midió el

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valor de ADC con respecto al ángulo cada 10° y se creó una ecuación en un rango de cada 30°. Otra dificultad presentada fue que potenciómetro no presenta valores estables los primeros 20°.

VI. ANEXO 1. SIMULACION EN EL PROGRAMA ISIS PROTEUS

Figura 18. Circuito del sensor de ángulo digital.

VII. ANEXO 2. DESARRO DEL PROGRAMA EN PCWHD

#include <16f877a.h> //Librería del pic #device adc=10 // Librería del ADC

#fuses XT,NOWDT // Librería “PERRO GUARDIAN” #use delay(clock=4000000) // Cristal

#include <lcd.c> // Librería de la LCD

#use standard_io(B) // Activación del Puerto B

void main() // Inicio del cuerpo del programa {

port_b_pullups(TRUE); // Activación de PULLUPS int16 x; // Declaración de variables float y; // Declaración de variables lcd_init();

setup_adc_ports(AN0); // Activación de ADC

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); // Activación del reloj interno del ADC while(1) // Inicio del ciclo “MIENTRAS”

{

set_adc_channel(0); // Iniciación del Puerto 0 del ADC delay_us(20); // Retardo de 20 microsegundos

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if (x<=15) // Inicio del ciclo IF {

printf(lcd_putc,"\fADC = %Lu",x); // Impresión en la LCD printf(lcd_putc,"\nANGULO < 0"); // Impresión en la LCD

delay_us(1000); // Retardo de 1000 microsegundos }

else // Segunda condición del ciclo IF {

if (x>=16 && x <=135) // Inicio del ciclo IF de 0 a 30 grados {

y = 0.2505*x + 16.147 - 20.15; // Ecuanción para determinar el grado de posición printf(lcd_putc,"\fADC = %Lu",x); // Impresión en la LCD del valor del ADC }

if (x>=136 && x<=335) // Ciclo IF para 31 a 800 grados {

y = 0.2505*x + 16.084-20; // Ecuanción para determinar el grado de posición printf(lcd_putc,"\fADC = %Lu",x);

}

if (x>=931 && x<=1005) //Inicio del ciclo IF para 231 a 250 grados {

y = 0.285*x - 15.326-20; // Ecuanción para determinar el grado de posición printf(lcd_putc,"\fADC = %Lu",x);

}

printf(lcd_putc,"\nANGULO = %1.2f",y); // Impresión en la LCD del ángulo if (x>=1006) //Inicio del ciclo IF para grados mayores de 251 {

printf(lcd_putc,"\fADC = %Lu",x); printf(lcd_putc,"\nANGULO > 250"); }

delay_ms(300); // Retardo de 300 microsegundos }

} }