UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

Control de temperatura de incubadora usando microcontrolador y Triac.Laboratorio de Electrnica IV

Len Yance, Adderlin Soto Melndez, Piero

04/05/2015

INDICE

1. Introduccin:

1.1. Planteamiento del Problema.1.2. Hiptesis de solucin.1.3. Estado del arte.

2. Marco Terico:

2.1. Triac y sus formas de disparo.2.2. Tipos de sistemas de control.2.3. Microcontroladores.2.4. Conversin Anlogo Digital (CAD y CDA)

3. Diseo:

3.1. Circuito de deteccin de paso por cero.3.2. Convertidores Analogo-Digital3.3. Circuitos de potencia3.4. Establecimiento de set-point3.5. Microcontrolador

4. Resultados y conclusiones:

4.1. Pruebas.4.2. Observaciones.4.3. Conclusiones.

1. Introduccin.

1.1. Planteamiento del problema:

Estudios realizados en la industria agropecuaria, muestran que la mayora de aves tardan demasiado tiempo en incubar sus huevos y adems necesitan de otra ave para hacerlo, esto aumenta los costos de produccin de las distribuidoras avcolas que tienen que cubrir una gran demanda a nivel mundial.

Entonces surge la necesidad de optimizar el proceso de produccin de huevos (menorar el tiempo de incubacin y reducer el uso de otras aves), la solucin inmediata ante este problema es implementar incubadoras. Se estima que un ave puede incubar aproximandamente 10 huevos mientras con una incubadora podemos incubar de 50 a 100 huevos.

Los cambios que tienen a lugar en el huevo durante la incubacin se presentan ordenados y regidos por leyes naturales. Estos cambios se producen, con normalidad, solamente bajo niveles determinados de temperature, humedad, contenido quumico del aire y posiciones del huevo. Por otra parte, el mismo huevo incubado modifica el medio que lo rodea al emitir calor, gases y vapor de agua hacia el mismo. Podemos definer al regimen de incubacin, por tanto, como el medio externo del desarrollo embrionario, condicionado por niveles establecidos de los factores de ese medio.

Los factores que lo integran son: temperature, humedad y volteo de los huevos. De todos estos factores, la temperature oficia como el factor de mayor importancia, ya que las variaciones en su valor puede resultar letal para muchos embriones.

1.2. Hiptesis de Solucin:

El interval de temperatura a controlar en el calefactor para el correcto desarrollo del embrin fluta normalmente entre 36 y 38C siendo 37C la temperatura a la que se ajustan las mayora de las incubadoras.

La hiptesis de la solucin nace de regular la temperatura a un nivel establecido (set-point), actuando sobre la potencia del calefactory, cuando se presente un error (diferencia) de la temperature sensada con la temperatura establecida como set-point.

Se resume la hiptesis en el diagrama de flujo mostrado en la Fig.1.

El objetivo es sensar la temperatura del calefactora y comparer el valor sensado con el establecido en el SET-POINT, de esto se puede anticipar el uso de un control tipo ON/OFF, cuyo proceso se implementar en un microcontrolador, este a su vez actuar sobre la potencia entregada a la carga calefactora, manipulando por ultimo la temperatura actual de la incubadora.

1.3. Estado del arte.

A finales del ao 1994 se culmina el desarrollo del primer prototipo de incubadora con un control digital de temperatura, tipo ON/OFF con un error en estado estable de +/- 0.30 C [10]. Entre 1995-1999 se empieza a desarrollar un segundo prototipo de incubadora, este genera condiciones apropiadas de temperatura (rango programable entre de 20C a 40C) utilizaron un controlador digital de temperatura, tipo proporcional integral con un error en estado estable de +/- 0.18 C [11]. (2001-2006) La Burbuja Artificial Neonatal controla (BAN), predecesor de la BAN- 3B; posee algoritmos de control para los parmetros ambientales tales como: temperatura, flujo de la mezcla aire-oxgeno y concentracin de oxgeno. En cuanto al control de los parmetro de temperatura, se emple una estrategia de control proporcional, se obtuvo un error en estado estable de +/- 0.13 C [12].

2. Marco Terico:

En esta seccin revisaremos los fundamentos bsicos que nos permitan elegir y discutir el diseo de los circuitos a usarse. Empezaremos por analizar el funcionamiento y aplicaciones de los TRIACs, adems se har una descripcin de los principals modelos de control, luego pasaremos a discutir sobre los tipos de microcontroladores, donde revisaremos sus ventajas y desventajas, por ultimo estudiaremos los convertidores analgico-digital (CDA-CAD).

2.1. El Triac y sus formas de disparo.UnTRIACoTriodo para Corriente Alternaes un dispositivosemiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con untiristorconvencional es que ste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podra decirse que el TRIAC es uninterruptorcapaz de conmutar lacorriente alterna.Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposicin que formaran dosSCRen direcciones opuestas.Posee treselectrodos: MT1, MT2 (en este caso pierden la denominacin de nodo y ctodo) ypuerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodopuerta.Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilizacin comointerruptoresttico ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecnicos convencionales y losrels. Funciona como interruptor electrnico y tambin a pila. Tambien se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones comoatenuadoresde luz, controles de velocidad para motores elctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores elctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda deCorriente alterna.El TRIAC es un dispositivo que si se le aplica un pulso en la compuerta (Gate), entra en un estado de conduccin hasta que el voltaje caiga a cero de nuevo, es decir, cuando el voltaje en el MT2 es ms positivo con respect a MT1 y un voltaje positive es aplicado a la compuerta de disparo (Fig.1), el SCR de la izquiera comienza a conducer. Cuando el voltaje es invertido y un voltaje negative o cero es aplicado a la compuerta de disparo, el SCR de la derecho conduce . Un mnimo de corriente se debe de mantener para que el triac siga conduiendo.

Fig.1. Esquema de un TRIACPara poder generar un voltaje deseado en una arga es necesario controlar el ngulo de disparo del TRIAC por medio de una seal PWM que se encuentre sincronizada con la seal de lnea, de esta manera se puede controlar el disapro y as el ngulo de fase de la seal que se quiere aplicar a la carga (Fig.2)

Fig.2.Control de seal sobre una carga, disparando un triac.Como se observa en la Fig.1., cuando ocurre un disparo del triac, este comienza a conducer hasta que la seal cruza por el nivel de 0 voltios y cuando se vuelve a disparar el Triac conduce una vez ms hasta el cruce por cero. Por tal motivo es necesario sincronizar la seal de la lnea con la seal PWM que se va a generar para el disparo del Triac. Para la sincronizacin es necesario detectar los cruces por cero para saber a partir de que momento se puede disparar el Triac y pueda conducir.

Por ejemplo si queremos que la carga tenga reciba una potencia un poco menor al que enva lnea, El Triac se dispara unos milisegundos despus de detectado el cruce por cero, produciendose la forma de onda mostrada en la Fig.3.

Fig.3. Voltaje en la carga, luego de un disparo pocos momentos despus del cruce por cero.Si se quiere entregar solo la mitad de potencia que entrega la lnea se tiene que disparar el Triac un cuarto de perodo despus del cruce por cero, como se muestra en la Fig.4.

Fig.4. ngulo de disparo de 90(Se entrega la mitad de la potencia)Y por ultimo si se dispara el Triac un instante antes de llegar al cruce por cero se genera una forma la forma de onda mostrada en la Fig.5.

Fig.5. Seal en la carga con disparo un momento antes del cruce por cero.2.2. Sistemas de control.Unsistema de controles un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados. Por lo general, se usan sistemas de control industrial en procesos de produccin industriales para controlar equipos o mquinas.Existen dos clases comunes de sistemas de control, sistemas de lazo abierto y sistemas de lazo cerrado. En los sistemas de control de lazo abierto la salida se genera dependiendo de la entrada; mientras que en los sistemas de lazo cerrado la salida depende de las consideraciones y correcciones realizadas por la retroalimentacin. Un sistema de lazo cerrado es llamado tambin sistema de control con realimentacin. Los sistemas de control ms modernos en ingeniera automatizan procesos en base a muchos parmetros y reciben el nombre decontroladores de automatizacin programables (PAC).a) ObjetivosLos sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos:1. Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.2. Ser eficiente segn un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales. Necesidades de la supervisin de procesos1. Limitaciones de la visualizacin de los sistemas de adquisicin y control.2. Control vs Monitorizacin3. Control software. Cierre de lazo de control.4. Recoger, almacenar y visualizar informacin.5. Minera de datos.b) Clasificacin de los sistemas de control segn su comportamiento Sistema de control de lazo abiertoEs aquel sistema en que solo acta el proceso sobre la seal de entrada y da como resultado una seal de salida independiente a la seal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentacin hacia el controlador para que ste pueda ajustar la accin de control. Es decir, la seal de salida no se convierte en seal de entrada para el controlador. Ejemplo 1: el llenado de un tanque usando una manguera de jardn. Mientras que la llave siga abierta, el agua fluir. La altura del agua en el tanque no puede hacer que la llave se cierre y por tanto no nos sirve para un proceso que necesite de un control de contenido o concentracin. Ejemplo 2: Al hacer una tostada, lo que hacemos es controlar el tiempo de tostado de ella misma entrando una variable (en este caso el grado de tostado que queremos). En definitiva, el que nosotros introducimos como parmetro es el tiempo.Estos sistemas se caracterizan por: Ser sencillos y de fcil concepto. Nada asegura su estabilidad ante una perturbacin. La salida no se compara con la entrada. Ser afectado por las perturbaciones. stas pueden ser tangibles o intangibles. La precisin depende de la previa calibracin del sistema. Sistema de control de lazo cerradoSon los sistemas en los que la accin de control est en funcin de la seal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentacin desde un resultado final para ajustar la accin de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias: Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre. Una produccin a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar. Vigilar un proceso es especialmente difcil en algunos casos y requiere una atencin que el hombre puede perder fcilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso. Sus caractersticas son: Ser complejos, pero amplios en cantidad de parmetros. La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema. Su propiedad deretroalimentacin. Ser ms estable a perturbaciones y variaciones internas.Un ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado sera el termotanque de agua que utilizamos para baarnos. Otro ejemplo sera un regulador de nivel de gran sensibilidad de un depsito. El movimiento de la boya produce ms o menos obstruccin en un chorro de aire o gas a baja presin. Esto se traduce en cambios de presin que afectan a la membrana de la vlvula de paso, haciendo que se abra ms cuanto ms cerca se encuentre del nivel mximo.c) Tipos de sistemas de control:1. Por sucausalidadpueden ser:causalesyno causales. Un sistema es causal si existe unarelacin de causalidadentre las salidas y las entradas del sistema, ms explcitamente, entre la salida y los valores futuros de la entrada.2. Segn el nmero deentradasysalidasdel sistema, se denominan: por su comportamiento Deuna entrada y una salidaoSISO(single input, single output). Deuna entrada y mltiples salidasoSIMO(single input, multiple output). Demltiples entradas y una salidaoMISO(multiple input, single output). Demltiples entradas y mltiples salidasoMIMO(multiple input, multiple output).3. Segn la ecuacin que define el sistema, se denomina: Lineal, si laecuacin diferencialque lo define eslineal. No lineal, si laecuacin diferencialque lo define esno lineal.4. Las seales o variables de los sistema dinmicos sonfuncin del tiempo. Y de acuerdo con ello estos sistemas son: Detiempo continuo, si el modelo del sistema es unaecuacin diferencial, y por tanto el tiempo se considerainfinitamente divisible. Las variables detiempo continuose denominan tambinanalgicas. Detiempo discreto, si el sistema est definido por unaecuacin por diferencias. El tiempo se considera dividido enperodos de valor constante. Los valores de las variables sondigitales(sistemas binario, hexadecimal, etc), y su valor solo se conoce en cada perodo. Deeventos discretos, si el sistema evoluciona de acuerdo con variables cuyo valor se conoce al producirse un determinado evento.5. Segn la relacin entre las variables de los sistemas, diremos que: Dos sistemas estnacoplados, cuando las variables de uno de ellos estn relacionadas con las del otro sistema. Dos sistemas estndesacoplados, si las variables de ambos sistemas no tienen ninguna relacin.6. En funcin de la evolucin de las variables de un sistema en el tiempo y el espacio, pueden ser: Estacionarios, cuando sus variables son constantesen el tiempo y en el espacio. No estacionarios, cuando sus variables no son constantesen el tiempooen el espacio.7. Segn sea la respuesta del sistema (valor de la salida) respecto a la variacin de la entrada del sistema: El sistema se consideraestablecuando ante cualquier seal de entrada acotada, se produce una respuestaacotadade la salida. El sistema se considerainestablecuando existe por lo menos una entrada acotada que produzca una respuestano acotadade la salida.8. Si se comparan o no, la entrada y la salida de un sistema, para controlar esta ltima, el sistema se denomina: Sistema enlazo abierto, cuando la salida para ser controlada, no se compara con el valor de la seal de entrada oseal de referencia. Sistema enlazo cerrado, cuando la salida para ser controlada, se compara con laseal de referencia. La seal de salida que es llevada junto a la seal de entrada, para ser comparada, se denomina seal defeedbacko deretroalimentacin.9. Segn la posibilidad de predecir el comportamiento de un sistema, es decir su respuesta, se clasifican en: Sistemadeterminista, cuando su comportamiento futuro es predecible dentro de unos lmites de tolerancia. Sistemaestocstico, si es imposible predecir el comportamiento futuro. Las variables del sistema se denominanaleatorias.d) Caractersticas1. Seal de Corriente de Entrada: Considerada como estmulo aplicado a un sistema desde una fuente de energa externa con el propsito de que el sistema produzca una respuesta especfica.2. Seal de Corriente de Salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.3. Variable Manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. Es decir, se manipula la entrada del proceso.4. Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. Se puede decir que es la salida del proceso.5. Conversin: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable.6. Variaciones Externas: Son los factores que influyen en la accin de producir un cambio de orden correctivo.7. Fuente de Energa: Es la que entrega la energa necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema.8. Retroalimentacin: La retroalimentacin es una caracterstica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relacin secuencial de causas y efectos entre lasvariables de estado. Dependiendo de la accin correctiva que tome el sistema, este puede apoyar o no una decisin, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentacin negativa; si el sistema apoya la decisin inicial se dice que hay una retroalimentacin positiva.9. Variables de fase: Son la variables que resultan de la transformacin del sistema original a la forma cannica controlable. De aqu se obtiene tambin la matriz de controlabilidad cuyo rango debe ser de orden completo para controlar el sistema.e) La ingeniera en los sistemas de control

ProblemasLos problemas considerados en la ingeniera de los sistemas de control, bsicamente se tratan mediante dos pasos fundamentales como son:

1. El anlisis.2. El diseo.En el anlisis se investiga las caractersticas de un sistema existente. Mientras que en el diseo se escogen los componentes para crear un sistema de control que posteriormente ejecute una tarea particular. Mtodos de diseo Existen dos mtodos de diseo:1. Diseo por anlisis.2. Diseo por sntesis.El diseo por anlisis modifica las caractersticas de un sistema existente o de un modelo estndar del sistema y el diseo por sntesis en el cual se define la forma del sistema a partir de sus especificaciones. RepresentacinLa representacin de los problemas en los sistemas de control se lleva a cabo mediante tres representaciones bsicas o modelos:1. Ecuaciones diferenciales, integrales, derivadas y otras relaciones matemticas.2. Diagramasen bloque.3. Grficas en flujo de anlisis.Los diagramas en bloque y las grficas de flujo son representaciones grficas que pretenden el acortamiento del proceso correctivo del sistema, sin importar si est caracterizado de manera esquemtica o mediante ecuaciones matemticas. Las ecuaciones diferenciales y otras relaciones matemticas, se emplean cuando se requieren relaciones detalladas del sistema. Cada sistema de control se puede representar tericamente por sus ecuaciones matemticas. El uso de operaciones matemticas es patente en todos los controladores de tipoP,PIyPID, que debido a la combinacin y superposicin de clculos matemticos ayuda a controlar circuitos, montajes y sistemas industriales para as ayudar en el perfeccionamiento de los mismos.