Trabajo Final
SISTEMA DE MEDICIÓN DE CORRIENTE AUTO-RANGO, CON
ADQUISICIÓN DIGITAL, PARA ESTUDIAR LA RELAJACIÓN
DIELÉCTRICA DE LA GLUCOSA.
Alumno: Velázquez, Aníbal
Número de Alumno: 53055
Capitulo 1 Aporte de las mediciones Dieléctricas
1
Hidratación
Per
mit
ivid
ad
1ra r
egió
n
2da región 3ra región
Capítulo 1
Introducción a las Mediciones Dieléctricas:
En el Presente Capitulo se pretende ilustrar sobre la aplicación de los parámetros
dieléctricos a la biofísica.
1.1 Estudios:
Los estudios con mediciones dieléctricas no son una novedad en la biofísica,
existen numerosos antecedentes que utilizan este tipo de procedimiento y se puede
mencionar uno a modo de ejemplo: [1]
Una de las aplicaciones se da en el estudio de proteínas, donde las mediciones
dieléctricas de las proteínas en polvo permiten utilizar un parámetro controlable: el
grado de hidratación de la proteína.
Las proteínas poseen solamente una constante dieléctrica residual pequeña
cuando están secas, pero muestran un aumento considerable de la misma cuando
absorben moléculas de agua. Diversas proteínas, en forma de polvo cristalino,
encuentran una variación de la parte real de la permitividad con el grado de hidratación.
En un gráfico como el 1.1 se vería una primera región de baja hidratación, donde el
aumento del contenido de agua no afecta la permitividad, seguida de otra donde el
aumento del agua absorbida hace crecer rápidamente la permitividad y, finalmente, una
tercera zona donde la hidratación es relativamente alta y la posterior adición de agua
tiene muy poco efecto sobre la permitividad.
Figura 1.1: Gráfico de la parte real de la permitividad vs hidratación
Capitulo 1 Aporte de las mediciones Dieléctricas
2
1.2 Estudio que se pretende realizar con el equipo [2]
En el Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLySiB) se estudia
la Movilidad Molecular y el envejecimiento de glucosa en estado vítreo, con el objetivo
de mejorar la conservación de los alimentos.
Los hidratos de carbono desempeñan un papel importante en la estabilización de
los componentes biológicos bajo los efectos del agua estresada (termino utilizado en la
bibliografía para el agua congelada y descongelada) y, por consiguiente, en la
preservación de los alimentos. El estrés del agua puede producirse por congelación o el
secado. Esto genera daños en proteínas y tejidos, producidos principalmente por la
generación de grandes gradientes de concentración de sales. Algunos actúan como
protectores de los hidratos de carbono. Sin embargo aunque se han propuesto algunas
explicaciones, el mecanismo todavía no es bien conocido.
La eficiencia de la protección no es la misma para los diferentes hidratos de
carbono, ya que puede estar en relación con propiedades particulares del estado vítreo
de las soluciones de hidratos de carbono. La dinámica molecular de las glucosas
vitrificadas es de interés para el problema mencionado y ha sido objeto de una serie de
estudios, desde el punto de vista teórico y experimental.
De los métodos experimentales para estudiar la dinámica de los vidrios, la
relajación dieléctrica (o re acomodamiento de dipolos) es uno de los más citados en la
literatura. Pero debido al gran tiempo de relajación presente en los vidrios, la mayoría
de los resultados reportados se refiere a vidrios o líquidos. Son pocos los datos que
existen sobre el tema en los que la temperatura está por debajo de la temperatura de
transición vítrea. Esta temperatura es esencial para poder seguir el proceso de
envejecimiento de la glucosa.
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
3
Capítulo 2
Bases para el estudio de dieléctricos.
El presente capitulo expresa algunas consideraciones teóricas (básicas) sobre el
estudio de dieléctricos, con la intención de dar un panorama muy general sobre las
características principales del estudio que se realiza en el Instituto de Física de Líquidos
y Sistemas Biológicos
2.1 Polarización y constante dieléctrica.
En una primera aproximación se puede considerar que un material dieléctrico
está formado por dipolos. Un dipolo eléctrico es un sistema constituido por dos cargas
puntuales y de sentido contrario, separadas por una cierta distancia d. La principal
magnitud que caracteriza un dipolo es su momento dipolar eléctrico que puede definirse
como:
[2.1]
Siendo q el valor absoluto de una de las cargas eléctricas y dr
el vector de posición dirigido en el sentido de la carga negativa a la positiva.
Una magnitud macroscópica que da una idea de la cantidad de dipolos orientados en una misma dirección dentro del dieléctrico es la polarización. Se define el vector polarización de la siguiente forma:
[2.2]
2.2 Polarización de dieléctricos [3]
Como ya hemos dicho el vector polarización es una magnitud que se determina macroscópicamente. Sin embargo, debemos buscar a nivel microscópico los distintos mecanismos que darán lugar a la aparición y orientación de los dipolos, cuando sobre el dieléctrico se aplica un campo eléctrico. Dichos procesos son: Polarización orientacional: Este mecanismo se presenta únicamente cuando las moléculas poseen momento dipolar permanente. La presencia de un campo eléctrico modifica la situación inicial produciendo una nueva orientación de los dipolos permanentes existentes en el dieléctrico. Después de un cierto tiempo de aplicación del campo se alcanzará una situación de equilibrio en la cual habrá un mayor número de dipolos orientados en la dirección del campo aplicado.
dqprr
.=
dV
pdP
rr
=
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
4
Polarización inducida: En este caso, los materiales no tienen dipolos permanentes sino que dichos dipolos aparecen cuando se produce una redistribución de carga debida a la aplicación de un campo eléctrico. Se pueden distinguir en este grupo dos tipos de mecanismos similares pero que se diferencian por la forma en la que se induce:
• Polarización electrónica: Esta polarización surge como consecuencia del desplazamiento de la nube electrónica de los átomos o iones respecto del núcleo al aplicar un campo eléctrico. Este hecho induce un dipolo debido al desplazamiento de la carga negativa con respecto a la positiva.
• Polarización iónica: La polarización iónica se debe al desplazamiento elástico de los iones que componen la molécula cuando se aplica un campo eléctrico. Esta polarización se da exclusivamente en cristales iónicos.
2.3 Algunas relaciones fundamentales [4]
Las relaciones que existen entre el campo eléctrico y magnético en distintos materiales puede estudiarse en una primera aproximación con las relaciones que se expresan en el anexo 1
2.4 Fenómenos de relajación dieléctrica: modelo de Debye. [5][3]
En la región en que el campo aplicado es oscilatorio alternado y de baja
frecuencia se observan los fenómenos de relajación dieléctrica que se deben
fundamentalmente a los mecanismos de polarización orientacional (ver 2.2).
El proceso de relajación dieléctrica es un fenómeno por el cual el conjunto de
dipolos que se han orientado en la dirección del campo vuelven al estado de equilibrio
termodinámico (en el que se encontraban los dipolos permanentes). Mediante el modelo
de Debye se puede explicar el fenómeno, pero sólo en el caso de que el medio
dieléctrico a tratar sea puro (solo un componente dielectrico).
Aparte del momento dipolar permanente, las moléculas presentan también, bajo
la acción de un campo eléctrico, una polarización inducida cuya respuesta se considera
para todos los efectos como instantánea. A esta contribución de la polarización la
representaremos por P∞. En el modelo de Debye se sigue una ley exponencial
decreciente de acuerdo con la figura 2.12 esta variación de la polarización se da a partir
del instante en que el campo eléctrico se hace cero (función escalón negativa)
E = E0 u (-t).
[2.3]
Es decir, el vector polarización presenta dos contribuciones, la instantánea, dada
por el primer sumando, y la retardada, expresada en el segundo sumando. La primera
tiene la misma dependencia funcional que el campo eléctrico, mientras que la segunda
τ/)()()( tS ePPtuPtP −
∞∞ −+−=
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
5
ofrece una variación exponencial creciente o decreciente según sea el sentido de la
variación del campo.
Fig. 2.1 Variación temporal del vector polarización en un campo eléctrico que se hace cero en el instante t = 0 [función escalón negativa, u(-t)].
En todos los casos seguirá una expresión de tipo exponencial conocida como
Ley de Arrhenius:
(2.1)
Las constantes W y τ0 representan los parámetros de cada sistema, pues, W es una energía de activación, es decir, es aquella energía potencial necesaria para alcanzar la orientación del dipolo. Mientras que τ0 está directamente relacionada con la viscosidad del medio.
Los dos términos de la polarización pueden expresarse en función del campo aplicado, de manera que:
(2.2)
Teniendo en cuenta esa expresión para P, el desplazamiento eléctrico se puede
escribir como:
(2.3)
Donde D∞ y DS representan el vector desplazamiento eléctrico en los límites de
frecuencia alta y baja respectivamente.
Y derivando con respecto al tiempo, se obtiene la corriente de desplazamiento:
(2.4)
Dado que la expresión de la permitividad en función de la frecuencia es [2]:
)1)(()()( /τtS eDDtuDtD −
∞∞ −−+=
0/
0 )1
)(()()(
EetEt
tDJ t
Sdτ
τεεδε −
∞∞ −+=∂
∂=
kTW
e−•= 0ττ
( ) ( ) ( ) EeEtPt
S
rrr•
−•−+•−= −
∞∞τεεεε 10
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
6
(2.11)
Podemos identificar la función respuesta como Φ(t) con (e-t/τ)/τ, es decir:
(2.6)
Conocida la función respuesta, se puede calcular cualquiera de los parámetros
que caracterizan la respuesta del dieléctrico. En particular, para campos alternos
sinusoidales de frecuencia angular ω, la constante dieléctrica se puede calcular mediante
la expresión (2.7). Podemos poner, por tanto:
(2.7)
Habida cuenta de que el resultado de la integración es 1/(1 +iωτ) obtiene
finalmente:
. (2.8)
Por tanto, la parte real e imaginaria de la constante dieléctrica vendrán dadas por
las denominadas ecuaciones de Debye:
(2.9a)
(2.9b)
De acuerdo con el modelo de Debye la constante de tiempo τ representa el
tiempo de relajación del sistema, y está relacionada con la viscosidad del medio y con la
temperatura, la cual es válida cuando el sistema está formado por un conjunto de
moléculas polares que, no interaccionan eléctricamente y que giran libremente en un
medio viscoso.
En la figura 2.2 se da una representación gráfica de ε'(ω) — ε∞ y de ε’’(ω) en
función de ω en escala doblemente logarítmica, para sistemas que obedecen el modelo
de Debye. Se indica en la figura 2.2 los puntos máximos, que sirven para caracterizar y
calcular la forma de la curva de la constante dieléctrica.
τ
τ/
)(te
t−
=Φ
∫∫∞ +−
∞∞
∞−
∞∞ −+=Φ−+=0
)1
(
0
1)()()()(* dtedtet
it
Sti
S
ϖτϖ
τεεεεεεωε
221)('
τωεεεωε
+−+= ∞
∞S
ωττωεεωε −
+−= ∞
221)('' S
ωτεεεωε
iS
+−+= ∞
∞ 1)(*
∫∞
−∞∞ Φ−+=
0
)()()(* dtet tiS
ϖεεεωε
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
7
Log(ε)
ε’’(ω)
Log(ω)
ε’(ω)-ε∞
τ1
En la figura 2.2 se puede apreciar la disminución de ε'(ω) — ε∞ con la
frecuencia y la presencia de un máximo en ε''(ω) (pico de absorción) como
consecuencia de la relajación dipolar [6]. En la región próxima al máximo, centrado en
la frecuencia característica ω0 = 1/τ, es donde ε'(ω) sufre la máxima variación, lo cual
está de acuerdo con las predicciones de las relaciones de que el aumento de la
temperatura origina una disminución de la constante de tiempo τ, lo que produce a su
vez, un aumento de la frecuencia característica ω0. Se concluye, por tanto, que en los
sistemas que obedecen el modelo de Debye, el aumento de la temperatura produce,
entre otros efectos, un corrimiento en las curvas de ε'(ω) y ε''(ω) hacia la región de
frecuencias altas.
Fig. 2.2: Representación logarítmica ( ) ∞− ωωε ' y de ( )ωε ''
frente a la frecuencia.
2.5 Analogía eléctrica con el modelo de Debye:
El modelo de Debye Puede asociarse al circuito eléctrico que muestra la figura 2.3.
Fig. 2.3: Esquema eléctrico del modelo de Debye
En este circuito se ve claramente cómo la repuesta llamada de relajación, se
asocia rápidamente a la respuesta eléctrica de un circuito RC al que se le aplica una
tensión durante un tiempo mucho mayor a su constante de tiempo y luego los bornes a y
a b RS C
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
8
Circuito RC en Funcion de ωωωω
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 200 400 600 800 1000 1200
ωωωω [rad]
Am
plit
ud
Circuito RC en funcion del tiempo
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Tiempo [s]
Co
rrie
nte
[A]
b se unen. Realizando una gráfica de la parte real e imaginaria con ejes logarítmicos de
la respuesta en frecuencia del circuito se llega a la gráfica de la figura 2.5.
Para ilustrar mejor, tomemos como ejemplo el circuito de la figura 2.3 con
valores RS= 1kΩ y C=10µF con un escalón de tensión de 10V, la constante de tiempo
resulta τ=0,01s. En la figura 2.4 se presenta la gráfica de la corriente en función del
tiempo.
Fig 2.4 Corriente de descarga en el circuito RC de la figura 2.3 en función del tiempo
Si para este mismo circuito analizamos la respuesta en frecuencia y graficamos
su parte real e imaginaria tenemos la gráfica de la figura 2.5
Fig 2.5 Parte real e imaginaria de un circuito RC de la figura 2.3 en función de ω
Parte Real
Parte Imaginaria
[A]
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
9
Circuito RC en Funcion de ωωωω
1
10
100
1 10 100 1000 10000
ωωωω [rad]
Am
plit
ud
Si a la grafica de la figura 2.5 la re dibujamos con escala logarítmica en sus ejes
tenemos la gráfica de la figura 2.6
Fig 2.6 Parte real e imaginaria del circuito RC de la figura 2.3 en escala logarítmica
Como se puede notar en la gráfica de la figura 2.5, y con mejor detalle en la
gráfica de la figura 2.6, la intersección entre las curvas de parte real e imaginaria, se da
en ω=100, en
En la frecuencia f0 notamos que la curva de la parte imaginaria de la respuesta
del circuito tiene un pico.
2.6 Diagrama Circular:
Un método práctico para discernir si un dieléctrico se adapta o no al modelo de
Debye consiste en representar los valores de ε'' en función de los de ε' para cada una de
las frecuencias (diagrama de Argand en el ámbito eléctrico, conocido como diagrama
circular). Se obtiene así un círculo centrado en el eje ε', de acuerdo con las
características descritas en la figura 2.7. Matemáticamente, este resultado se puede
demostrar ya que el par de ecuaciones (2.9) cumple la ecuación de un círculo: ε"(ω)2 =
[εS - ε'(ω)][ε"(ω)-ε∞].
τ1
0 =f
Parte Real
Parte Imaginaria
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
10
Fig. 2.7 Diagrama de Argand para la parte real e imaginaria de la constante dieléctrica de un material dieléctrico que obedece al modelo de Debye. [1]
El diagrama de la figura 2.7 se denomina también representación de Cole-Cole y
es utilizado muy a menudo para comprobar la adaptación de los resultados
experimentales de ε' y ε" al modelo de Debye. También se utiliza para determinar,
mediante extrapolación, los valores de εS y ε∞ cuando se conocen los datos de ε' y ε" en
un intervalo amplio de frecuencia, siempre que el sistema obedezca el modelo de
Debye.
2.7 Influencia de múltiples tiempos de relajación:
El hecho de que la curva ε (ω) se separe a menudo del pico ideal predicho por el
modelo de Debye ha llevado a considerar la posibilidad de la existencia de múltiples
tiempos de relajación. Ello es debido a que cada uno de los dipolos presentes en una
molécula puede tener una interacción diferente con el resto de los átomos o moléculas
del material. Incluso en el caso de sustancias dieléctricas formadas por moléculas
simples, la no esfericidad de las moléculas puede dar lugar a que existan diferentes
tiempos de relajación.
Este aspecto se puede apreciar con ayuda del esquema de la figura 2.8, donde se
han representado dos posibles rotaciones de una molécula con forma elipsoidal. Es
evidente que, cuando la molécula gira en torno al eje b por acción del campo, está sujeta
a una fricción con el medio. El coeficiente de fricción en este caso será mayor que el
obtenido en el caso de que la molécula gire según el eje a. Lo cual, a su vez, da lugar a
que el tiempo de relajación en el proceso de orientación de la molécula, siguiendo las
variaciones del campo, sea diferente según el eje en que gire la molécula.
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
11
Fig. 2.8 Rotaciones posibles de una molécula elipsoidal
con dos ejes de simetría.
La función f(τ) tiene un tiempo de relajación comprendido entre τ у τ + dτ. Su
contribución dε*(ω), al valor total de la constante dieléctrica vendrá dado por:
(2.10)
El valor total de la constante dieléctrica se obtendrá sumando las diferentes
contribuciones para cada tiempo de relajación:
(2.11)
Donde τmax y τmIn son los valores límites para los diferentes tiempos de
relajación.
Fig. 2.9 Curva de absorción para un dieléctrico que muestre múltiples tiempos de
relajación.
En la figura 2.9 se ha representado cualitativamente la influencia de los
múltiples tiempos de relajación en la curva de ε''(ω), trazando los correspondientes
picos individuales de absorción, centrados cada uno de ellos a la frecuencia angular,
ωi=1/τi . La envolvente de estos picos es la curva de absorción de todo el conjunto. En
la práctica, los límites de integración de (2.11) se extienden de cero a infinito ya que se
entiende que fuera del intervalo (τmln, τ max) la función f (τ) es cero. La ecuación (2.11)
toma la forma:
ττϖτεεεϖε df
id S )(
1)(*
+−+= ∞
∞
τϖττεεεϖε
τ
τ
di
fS ∫ +
−+= ∞∞
max
min 1
)()()(*
Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos
12
(2.12)
Sin embargo, la dificultad de encontrar funciones f(τ) que, aún siendo válidas
para explicar los resultados experimentales, se adapten a una realidad física, hace que
este tratamiento sea aceptado con muchas reservas.
τϖττεεεϖε di
fS ∫
∞
∞∞ +−+=
0 1
)()()(*
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
13
Capítulo 3
Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
En el siguiente capitulo se realiza un análisis de los posibles métodos de
medición y se describe la forma en la que se realizaba la medición dieléctrica antes de
plantear la automatización.
3.1 Análisis general para el estudio de dieléctricos [7]
El estudio de los fenómenos de relajación en un material se puede efectuar por
dos medios básicos: el dominio de tiempo y el dominio de frecuencia. En resolución
temporal lo que se hace es perturbar el sistema y observar su evolución al nuevo estado
de equilibrio. En cambio, en dominio de la frecuencia se mantiene una perturbación
sinusoidal constante de pequeña amplitud y se observa la respuesta del sistema. Para
todo sistema lineal, la respuesta a una señal sinusoidal es también sinusoidal; en virtud
de este hecho, el comportamiento del sistema en dominio de frecuencia se puede
analizar con la magnitud impedancia, que es la relación entrada/salida. En el caso de
medidas dieléctricas, se prefiere describir el comportamiento en frecuencia mediante la
permitividad compleja '''* εεε j+= , que expresa la misma información física que la
impedancia. La constante dieléctrica estática εS coincide con el valor de la parte real de
la permitividad compleja ε' cuando la frecuencia se hace muy baja, ω≈0. Sin embargo,
en contraste con el caso estático, el análisis en frecuencia de la permitividad permite
estudiar separadamente los fenómenos de relajación en el material.
Las medidas temporales y frecuenciales analizan los mismos fenómenos, y de
hecho es posible transportar los resultados de un dominio a otro mediante la
transformada de Fourier o de Laplace. Como se desprende del teorema del muestreo, es
posible ver un tiempo de medida como el inverso de la frecuencia de medida, por tanto,
una resolución experimental en una ventana de tiempos cortos corresponde a una
medida con frecuencias altas, y viceversa: tiempos largos corresponden a bajas
frecuencias, (se entiende por ventana de tiempos el intervalo de medida, definido por el
mínimo de tiempo medible, según la rapidez de detección del sistema y el máximo de
tiempo que vamos a mantener la medición).
Sin embargo, los métodos de análisis de resultados son diferentes en cada
dominio. Cuando se trata de separar diversos fenómenos de relajación presentes en el
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
14
sistema para analizar sus características individuales, el estudio en dominio de
frecuencia es indudablemente muy superior. En la figura 2.6 se muestran las principales
características de la permitividad compleja, en función de la frecuencia, cuando existe
un único proceso de relajación. Se aprecian los comportamientos diferentes de la parte
real ε' y la parte imaginaria ε'' de la permitividad. La propiedad central de la relajación
es la existencia de una frecuencia de relajación (en el ejemplo f0 = 1/τ Hz) en la cual ε''
presenta un pico, denominado “de pérdidas”. Esta frecuencia de relajación es el valor
inverso del tiempo característico de relajación introducido más arriba. Por otra parte la
magnitud ε', efectúa una transición entre el valor de baja frecuencia ε(0) y el valor de
alta frecuencia e(∞).
La característica más notable, universalmente observada en los fenómenos de
relajación, es que el decrecimiento de la parte real de la permitividad ε', ocurre en la
región donde el pico de pérdidas toma valores apreciables, en un intervalo de unas 3
décadas de frecuencia para una relajación ideal según el modelo de Debye. El pico de
pérdidas señala la existencia de la relajación. Si medimos en un intervalo de frecuencias
superiores a la frecuencia característica de relajación del mecanismo f0, dicho
mecanismo ya no contribuye a la parte real de la permitividad. Físicamente, ocurre que
la frecuencia del estímulo de medición es demasiado alta como para que los dipolos
puedan seguir las oscilaciones del campo eléctrico aplicado y, por lo tanto, dichos
dipolos no participan en la polarización del sistema.
3.2 Estudio de glucosa en estado de vitrificación: [2]
Las propiedades moleculares de las glucosas vitrificadas dependen de su proceso
de formación y el tiempo transcurrido desde su origen (envejecimiento).
Entre los métodos experimentales para estudiar la dinámica de las glucosas
vitrificadas, la relajación dieléctrica es uno de los más frecuentemente citados en la
literatura, en la mayoría de los resultados reportados se refieren a temperaturas en que
los vidrios están súper fríos o en estado líquido. Son pocos los datos que existen para
vidrios que se encuentran por debajo de la temperatura de transición vítrea; temperatura
esencial para poder seguir el proceso de envejecimiento.
En los vidrios la relajación molecular es un proceso que suele ser largo y posee
varias constantes de tiempo τ distintas. Es necesario definir claramente el tiempo de
relajación, ya sea para tener la cobertura de frecuencia de banda ancha o para ajustar
tiempos suficientemente grandes, de lo contrario la relajación es incompleta e impide
una determinación precisa del tiempo total de relajación.
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
15
3.2.1 Métodos de estudio
Como ya se dijo en 3.1 para el estudio de la glucosa en estado de vitrificación se
utilizan dos métodos: uno en el dominio de la frecuencia y otro en el dominio del
tiempo.
3.2.1.1 En el dominio de la frecuencia:
En el dominio de la frecuencia existen a su vez dos métodos, uno, es el que se
utiliza una frecuencia por vez, y otro en el que se utiliza un grupo de frecuencias
preestablecidas.
• Utilizando una frecuencia por vez:
Este método consiste en aplicar una señal de una única frecuencia y analizar los
resultados obtenidos como respuesta del sistema en estudio. Luego repetir este proceso
tantas veces como frecuencias de excitación se deseen estudiar.
Una medición fiable en el dominio de la frecuencia requiere de un estado de
equilibrio del sistema, lo que significa que hay que esperar bastante después de que la
frecuencia está establecida. Si bien el instrumento da una respuesta lo suficientemente
rápida como para lograr la estabilidad después de un ciclo, el retraso de las propiedades
del material es mucho más lento en el logro de equilibrio después de un impulso
transitorio. Una "regla de oro" sugiere un tiempo de espera de una decena de ciclos
antes de las mediciones.
Para frecuencias muy bajas se trata de un procedimiento que insume tiempo. De
hecho, asumiendo una relajación del orden de 10-3 Hz, una medida requiere un tiempo
de aproximadamente 30 días, incluso si sólo se inserta un ciclo entre cada medición.
Aún sin tener en cuenta que este tiempo de relajación puede ser demasiado corto para
moléculas vitrificadas.
• Utilizando un grupo de frecuentas preestablecidas:
Este método consiste en generar una señal que contenga a todo el conjunto de
frecuencias en las que se desea estudiar y aplicarlo al sistema. La respuesta de este, si es
lineal, será el conjunto de respuestas de todas las frecuencias en estudio.
En el estudio que se realiza sobre la glucosa en el estado de vitrificación, no está
determinado aún si esta se comporta de forma lineal o no. Por esta razón, este método
todavía no tiene mucha viabilidad para ser utilizado
3.2.1.2 En el dominio del tiempo:
Este método consiste en aplicar un escalón de tensión y luego registrar la
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
16
corriente que se produce por la relajación molecular.
Para esto se aplica un determinado nivel de tensión, durante el tiempo en que se
estima necesario para llegar al estado de equilibrio molecular. Una vez transcurrido este
tiempo se pone el nivel de tensión en cero de forma abrupta (escalón), y se registra la
corriente que se genera producto de la relajación molecular.
3.3 Análisis para el desarrollo práctico
En este trabajo se decidió utilizar el método en el dominio del tiempo. Por lo
expuesto en 3.2.1.
Para empezar a resolver los aspectos prácticos y definir las características del
sistema de medida se redujo la complejidad del mismo. Para esto se hicieron algunas
suposiciones básicas.
Se comenzó por suponer que la sustancia en estudio tiene sólo una constante de
tiempo τ en lugar de varias como se mencionó anteriormente. Que el elemento a
estudiar tenga una o más constantes de tiempo no genera grandes modificaciones en
cuanto a la forma de la señal que es respuesta de la excitación aplicada, ambas son
curvas monótonamente decrecientes, sólo varía la forma de decaimiento. Podemos
suponer que la respuesta que se obtiene obedece a una ley exponencial como la
siguiente:
(3.1)
Donde Φ(t) está ligado directamente a la constante de tiempo τ, esta expresión es
similar a la respuesta de un circuito RC a una perturbación en forma de escalón de
tensión.
Como se mostró en el capítulo 3, para la obtención de la constante dieléctrica
'''* εεε j+= se puede partir de la corriente de desplazamiento Jd. Dicha corriente puede
asociarse a la corriente de descarga del circuito.
Para medir la característica dieléctrica de la glucosa vitrificada se procede de la
misma forma que con otros compuestos mencionados. Se le aplica el campo E a una
celda con glucosa, polarizando con el campo a las moléculas que la componen. Una vez
que se ha alcanzado el estado permanente, se cambia el circuito eléctrico de tal forma
que las cargas acumuladas puedan reacomodarse, dejando libres a las moléculas para
que puedan reacomodarse en su proceso de relajación.
τ
τ/
)(te
t−
=Φ
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
17
Se procede a la elaboración, mediante muestras, de la curva de la figura 2.4 de
donde se obtienen los parámetros con los que se trabajará posteriormente.
La celda con glucosa se asemeja eléctricamente a la carga y descarga de un
capacitor con un modelo de Debye que se muestra la figura 3.1
Fig 3.1 Modelo de Debye de un capacitor
Donde R1 está relacionado con las pérdidas del electrolito, R3 es debida a las
pérdidas que se producen en el dieléctrico, mientras que R2 se debe a las resistencias de
las conexiones y C es un capacitor ideal.
No se pretende encontrar los valores de cada uno de los elementos del circuito,
sino que este es simplemente un referente eléctrico.
En el caso de que se quisiera trabajar sin la suposición de que existe una sola
constante de tiempo τ se tendría que utilizar un modelo de capacitor construido con
varios modelos similares al de la figura 2.3 conectados en paralelo. De esta forma, la
cantidad de constantes de tiempo sería la cantidad de modelos en paralelo que se
conectaron.
3.4 Historial del trabajo realizado previamente en el IFLySiB
Para la medición los investigadores el IFYSIB usaban el método temporal. Para
esto utilizaban el circuito que muestra la figura 3.2.
Fig 3.2 Circuito de medición
Donde la fuente de tensión es un variac, con un rectificador y filtro, que entrega
Fuente de Tensión Continua
Celda con glucosa
S
A 2
1
a b R1 C R2
R3
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
18
una tensión continua de entre 0 a 250V.
El amperímetro marca KEITHLEY 175 “Autoranging Multimeter”.
Para realizar la medición se seguían los siguientes pasos:
• Con la llave S en la posición 1 durante un tiempo de aproximadamente 2
horas; tiempo en el que, se calcula, la celda alcanza su estado estacionario, con una
tensión de la fuente de entre 40 y 60V.
• Luego de este tiempo colocaban la llave S en la posición 2, momento en que
comenzaba la medición.
• A medida que los valores obtenidos se iban haciendo cada vez más pequeños,
cambiaban la escala del instrumento, mejorando así la sensibilidad de la medida.
• El rango registrado comenzaba en los µA y era posible medir hasta los nA, la
forma en que se tomaban las muestras era: las primeras 4 horas cada 5 o 10 minutos;
luego, durante las 6 horas siguientes, cada 40 o 50 minutos; y por último, cada 4 o 5
horas, hasta que se dé por concluido el experimento.
Con esta metodología hicieron numerosos registros, pero la forma de efectuarlos
era muy rudimentaria. Los registros resultaban dificultosos de realizar y para poder
analizarlos es necesario que las muestras estén espaciadas en intervalos iguales, para
poder hacer esto realizaban interpolaciones y la mejor forma de ejecutarla fue
utilizando una PC. Inevitablemente, esto llevaba a pasar todos los valores registrados a
una computadora, con la posibilidad de pérdida o confusión de los mismos.
En el primer intento de automatización comenzaron a usar un conversor
analógico a digital (A/D) para PC. Este tipo de conversores trabaja convirtiendo
tensiones, no corrientes. Se debe a que la corriente es una variable de tránsito, y para
poder medirla es necesario interferir en el circuito con lo que se perturba a la variable a
medir generando errores en la medida. Por el contrario, la tensión es una variable de
salto y su medición interviene en forma no tan destructiva como la medición de
corriente.
Para poder usar el conversor A/D, construyeron conversores corriente-tensión de
distintos valores de conversión, estos se intercalaba entre la celda y la placa adquisidora
(como se muestra en la figura 3.3). Se reemplazó así al amperímetro que utilizaban
hasta el momento. Para poder tomar valores que conserven la misma precisión durante
todo el experimento se iban intercalando los distintos conversores.
Para conectar cada uno de estos conversores debían prestar atención a los
valores que se registraban, de esta forma se podía saber cuándo cambiar el conversor.
Ese cambio del conversor implicaba la pérdida de valores en el momento del cambio,
Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
19
esta pérdida obligaba a la interpolación de valores en la zona de la curva afectada por el
cambio y la cantidad de muestras perdidas dependían de la habilidad del operario.
Con esta configuración se realizaron varias mediciones, con intervalos de
tiempos fijos y los datos se podían procesar directamente en la PC sin tener que
transcribirlos en forma manual.
Cuando las corrientes convertidas comenzaban a ser del orden de los cientos de
nanoamperes, la placa adquisidora interfería con ruido en los conversores generando
ruido en la conversión de analógico a digital, registrando así valores erróneos en el
registro.
Esto los llevo a hacer parte de las mediciones con la placa adquisidora y luego,
continuaban midiendo las tensiones con un voltímetro digital y tomando las muestras de
forma manual; posteriormente las pasaban a PC para realizar el análisis matemático de
las muestras obtenidas.
Figura 3.3 Primer esquema de automatización
Fuente de Tensión
Celda con glucosa
Conversor Corriente/Tensión PC con Conversor
A/D
Capitulo 4 Análisis de Automatización
20
Capítulo 4
Análisis de Automatización
Antes de comenzar con el diseño, se establecieron los rangos de corrientes y
tiempos a medir. Estos se acordaron con los encargados del experimento, la idea general
es poder medir desde los miliamperes [mA] hasta la corriente más chica que se pueda.
En el aspecto práctico se puso como límite inferior aproximado el orden de la decena de
nanoamperes [nA].
Se debe buscar un circuito capaz de abarcar todo el rango de corrientes. Se
prefiere que el circuito elegido sea simple de tal forma que cuando sea puesto en
práctica no genere imprevistos técnicos y el montaje no requiera maquinaciones
especiales.
En toda medición es deseable que el error sea nulo, esto es imposible desde el
punto de vista práctico. Fue establecido como límite deseable que el sistema de medida
en su conjunto no supere el 5% de error en los valores resultantes.
Se estableció que el intervalo de tiempo entre muestras sea del orden de 1
segundo y que este valor sea constante durante toda la medición. La duración de la
medición no esta establecida, si bien se estableció que como mínimo se pueda medir
durante dos semanas, por lo que la cantidad de muestras ronda en el millón de valores
4.1 Primera aproximación
Se puede comenzar un análisis de automatización con el circuito de la figura 3.2
y analizar el procedimiento con el que se realizan la medición. Esta medida se realiza
con un voltímetro y varios conversores corriente tensión. A medida que los valores
obtenidos se van haciendo cada vez más pequeños, se cambia el conversor corriente
tensión, mejorando la sensibilidad de la medida.
Pensando en términos de automatización, se debería conseguir que la mejora de
la sensibilidad sea comandada por el propio equipo, en función de los valores de
corriente que vaya tomando.
Se consensuó con los investigadores el esquema que muestra la figura 4.1
Capitulo 4 Análisis de Automatización
21
Fig 4.1 Esquema Básico
4.2 Características generales
Se puede comenzar a esbozar un equipo que tenga como base el esquema de la
figura 4.1. Las tres partes principales del sistema de automatización serían: la de
medición, la llave y el control. Con las siguientes características:
• La llave que conmuta entre la carga de la celda con glucosa, o la descarga, está
comandada por el bloque de control. Como lo que se pretende medir son
corrientes pequeñas (desde los µA a los nA), esta llave no debe introducir
perturbaciones en la señal, si lo hace deben ser momentáneas (un tiempo
menor a 10 veces menor al tiempo entre muestras), se preferiría que sea
aislada del mando de apertura y cierre, que su impedancia sea baja y que no
cambie con factores externos.
• El circuito de medición tendría que tener las siguientes características:
o Que el error de inserción que se genere sea mínimo, se debe tratar de no
perturbar al sistema en estudio para que las medidas sean lo mas
fidedignas posibles.
o Se encargaría de adaptar la señal a medir (amplificarla, filtrarla, o lo que
sea necesario para cuantificarla con el menor error posible).
o Hacer la medición. El circuito debe tener en cuenta que la sensibilidad
con la que se toma cada valor debe mantenerse constante, con lo que
debe contemplarse la posibilidad de cambios de escalas o lo necesario
para que esto se cumpla.
Fuente de Tensión Continua
Celda con glucosa
Circuito automatizado de
medición
Circuito de
Control
Software PC
Llave
Capitulo 4 Análisis de Automatización
22
o Debe trabajar conjuntamente con el circuito de control, para generar de
alguna manera el registro final, y coordinar la toma de valores con la
llave.
• El Circuito de control debe:
o Coordinar las acciones de la llave con las del circuito de medida,
conmutando la llave y dando la orden de adquirir o no al circuito de
medida.
o Recolectar los datos del circuito de medida y generar un registro con
todos los datos recolectados.
o Entregar los datos del experimento de forma clara y simple de ser
capturada con programas como Microsoft Excel u Origin.
• El software de la PC deberá recibir los datos provenientes del equipo y crear el
registro correspondiente, para que luego pueda ser procesado con el programa
que mejor se ajuste al análisis que se quiera hacer.
Capitulo 5 Análisis de Bloques. 23
Capítulo 5
Análisis de Bloques: La llave
En el siguiente capitulo se realiza un estudio sobre posibles formas de implementar el
bloque que funcional denominado llave, que fue planteado anteriormente en el capitulo 4. Se
estudian algunas posibles formas y luego se decide por una.
La llave es: un elemento importante en el circuito debido a que la corriente es un
parámetro de paso y no de salto como lo es la tensión. Esto hace que se deba intercalar el
elemento llave en el circuito sin interferir en el circuito a medir.
Existen diversos tipos de llaves que se pueden usar. En este capítulo se analizan
algunas, y se elegirá la que mejor se adapte al proyecto.
5.1 Llaves de estado sólido:
Están construidas con dispositivos semiconductores, pueden trabajar con señales
analógicas, existen llaves bidireccionales controladas digitalmente.
Usan transistores de silicio con tecnología CMOS, tienen una baja resistencia de
conducción y bajas pérdidas, estas llaves bidireccionales y analógicas, existen de diferentes
tensiones, pero se destacan las que están en el uso de señales que no superan 12V de cresta,
como las señales que se utilizan en la telefonía analógica.
Las entradas de control son digitales.
Un esquema muy común para este tipo de llaves es el que muestra la figura 5.1
Fig. 5.1 Circuito de una llave bidireccional de estado sólido
Capitulo 5 Análisis de Bloques. 24
En la figura 5.2 se muestra el circuito integrado MC14066 [1] este es un conjunto de 4
llaves analógicas, controladas por cuatro entradas digitales independientes entre si, es usado
como llave o multiplexor de señales analógicas.
Fig. 5.2 Circuito integrado MC14066
El control de este integrado se realiza como muestra la figura 5.3
Fig. 5.3 Control Lógico del circuito integrado MC14066
Como desventaja, este tipo de dispositivo está construido con silicio, y este presenta
una resistencia variable con la tensión con la que se alimenta al circuito, tal como muestra la
figura 5.4.
Fig. 5.4 Resistencia de paso “RON” en función de la tensión de alimentación y la temperatura
Capitulo 5 Análisis de Bloques. 25
Esta llave debe ir entre la celda y el circuito de medición, y si presenta factores que
varían con la tensión de alimentación u otro parámetro, se generarían errores no sistemáticos
y, por lo tanto, no desafectables de la medida. Por otro lado, no figura en las hojas de datos
información acerca de cuál es la corriente mínima que puede atravesar la llave, sin que esta
sea perturbada de alguna forma.
Por estas razones el uso de este tipo de llave no es conveniente.
5.2 Relé:
El relé es un dispositivo electromecánico que funciona como un interruptor. Se basa
en un circuito electromagnético que acciona un juego de uno o varios contactos que permiten
abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Tal como muestra la figura 5.5 y 5.6.
Se denominan contactos a aquellos que se cierran o abren según si la bobina del relé
es alimentada o no. De este modo, los contactos de un relé pueden ser normalmente abiertos
(NA) o normalmente cerrados (NC).
Los contactos NC se abren cuando el relé es activado; y se cierra cuando el relé es
desactivado.
Existen distintos modelos de relés. Las características técnicas con las que se los
puede clasificar son:
• Parte electromagnética:
- Corriente de excitación: Se denomina así a la corriente necesaria para activar
el relé.
- Tensión nominal. Tensión de trabajo para la cual el relé se activa.
- Tensión de trabajo. Margen entre la tensión mínima y máxima, lo que
garantiza el funcionamiento correcto del dispositivo.
- Potencia nominal de la bobina: es la energía por unidad de tiempo de la bobina
cuando el relé está excitado con la tensión nominal a
20ºC.
• Contactos o parte mecánica:
- Tensión de conexión: tensión entre contactos antes de cerrar o después de
abrir.
- Corriente de conexión: intensidad de corriente máxima en los contactos del
relé cuando este se conecta o desconecta.
- Corriente máxima de trabajo: intensidad de la corriente máxima en los
Capitulo 5 Análisis de Bloques. 26
contactos cuando se han cerrado.
- Cantidad de contactos: es la cantidad de llaves independientes que se
conmutan.
Fig. 5.5 Esquema en plano de un relé
Fig. 5.6 Esquema de funcionamiento de un Relé en 3D
Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata
que pueden estar hechas con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija
en su fabricación dependerá de su aplicación y de la vida útil necesaria de los mismos.
Debido a que los contactos son metálicos, su resistencia eléctrica de conexión es
mínima, al igual que su variación con la temperatura. Al estar aislada la parte
electromagnética de la parte de contactos, el control no interfiere sobre la señal que se
conecta.
Al trabajar de forma mecánica, tiene un tiempo de activación, también tiene lo que se
denominan rebotes, esto es: una vez que el comando se activa la parte mecánica cierra, abre y
vuelve a cerrar, hasta quedar cerrado. De acuerdo al relé, el tiempo de cierre total puede
Capitulo 5 Análisis de Bloques. 27
oscilar entre los 5 a 10 ms. Como se menciono en el capitulo 4 el tiempo entre muestra y
muestra será de 1 s, por lo que 10 ms no es un tiempo de peso. Por esta razón la perturbación
de 10 ms no la consideramos importante.
Las características eléctricas que posee el relé, una vez cerrado, superan a las
características de las llaves de estado sólido y lo hacen apropiado para utilizarlo en este caso.
El relé que se ha elegido es el que se muestra en la figura 5.7 sus características son:
Fig. 5.7 Relé elegido
Parte electromagnética
Corriente de excitación 15 mA
Tensión nominal 5V
Tensión de trabajo: entre 3V y 8V
Potencia nominal de la bobina 55 mW
Contactos o parte mecánica
Tensión de conexión 700V
Corriente de conexión 2A
Corriente máxima de trabajo 3A
Cantidad de contactos 2 pares de contactos
Vida Mecánica 15x106 Operaciones
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 28
Capítulo 6
Análisis de Bloque: Circuito de medida
En el presente capitulo se efectúa un estudio sobre las posibles formas de implementar
el bloque encargado de realizar la medición, planteado oportunamente en el capitulo 4.
6.1 Rangos:
Como se menciono en el capitulo 4, se pretenden medir corrientes desde el orden de
los mA hasta los 100nA. El tiempo entre muestras es de 1 s. También se prefiere que el
circuito de medición sea, de los posibles, el más simple de desarrollar.
6.2 Posibles circuitos de adaptación de la señal.
Para poder medir una corriente de forma simple, se la puede convertir en tensión. Ya
que este parámetro es mas sencillo de medir. Esto se debe a que no hay que intercalar ningún
elemento en el circuito. Existen diversas formas de convertir la señal de corriente en señal de
tensión.
6.2.1 Circuito basado en un opto acoplador:
El opto acoplador es un circuito integrado que se compone básicamente de un diodo
emisor de luz (diodo LED) y un foto transistor, tal como lo muestra la figura 6.1
Con una corriente por los terminales del diodo LED, este emite un haz de rayos
infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía de ondas de plástico o cristal hacia el
fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere
nuevamente una corriente eléctrica a su salida IS.
Un parámetro importante en los opto acopladores es la eficiencia, este parámetro
define el valor de corriente que se necesita en el LED para obtener la salida deseada. En opto
transistores esto se llama Razón de Transferencia de Corriente (CTR), esto se obtiene
Fig. 6.1 Circuito con opto acoplador
If
Opto acoplador
IS
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 29
CT
R N
orm
aliz
ado
TA Temperatura ambiente (°C)
simplemente dividiendo la corriente de salida por la corriente de entrada requerida.
La razón de transferencia de corriente CTR es un parámetro equivalente a la ganancia
de corriente de un transistor. La CTR es una de las características más importantes de los
opto-acopladores, así como el aislamiento de tensión. En el diseño el CTR debe ser
considerado en primer lugar, pues el CTR:
• Es dependiente de la corriente directa If en el LED.
La razón de transferencia de corriente (CTR) depende de la magnitud de la
corriente directa (If). Cuando If es baja, o es más alta que una cierta magnitud, el
CTR se hace más pequeño.
• Es afectado por los cambios en la temperatura ambiente.
La característica CTR-Temperatura se ve muy afectada por las características de
eficiencia en la transmisión del LED y del hFE del fototransistor, debido a que la
eficiencia en la transmisión de luz tiene un coeficiente negativo de temperatura y
el HFE un coeficiente positivo.
• Varía conforme el tiempo pasa.
La razón de transferencia de corriente (CTR) está determinada por la eficiencia
del LED como emisor de luz, la eficiencia en la transmisión de luz entre el LED y
el fototransistor, la sensibilidad a la luz del fototransistor y el hFE del transistor. El
cambio del CTR, debido al tiempo principalmente, es causado por la reducción en
la eficiencia en la transmisión de luz del LED. También la degradación es mayor
conforme (CTR se reduce) la corriente directa del LED aumenta y cuando la
temperatura de operación aumenta.
Fig. 6.2 CTR vs. Temperatura, tomado de la hoja característica
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 30
La principal desventaja, además de las ya mencionadas, es que la corriente por el LED
tiene que ser del orden de los 500 µA, en adelante, esto limita severamente las pretensiones
iniciales planteadas en 6.1, y esto hace que el circuito sea descartado.
6.2.2 Circuito Basado en la medición del campo magnético generado por la
corriente: [21]
Este circuito, como muestra la figura 6.3a, propone el uso de un sensor de campo
magnético.
Mediante el uso de una ferrita en forma toroidal con un gap de aire.
En la ferrite se bobina un conductor con N vueltas, y en el gap de aire se coloca un
sensor de efecto hall que sensa el campo magnético B que se produce en el toroide por la
corriente I a través del bobinado. En el circuito se muestra la grafica de la figura 6.3b.
El valor de NxI/B en una ferrita comercial con un gap apto para el un sensor de efecto
hall se puede obtener de la grafica 6.3.
NI/B vs gap de aire
NI/B
[A v
uelta
s/ G
auss
]
Gap de aire en pulgadas
Figura 6.3 NI/B vs gap de aire en distintas ferritas
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 31
Para estimar la tensión de salida del sensor comenzamos planteando el valor de
que se puede obtener ronda los:
(6.1)
La tensión de salida del sensor (U0) viene dada por 6.2:
(6.2)
Donde K es la sensibilidad del sensor que se elija. Reemplazando B de 6.1 en 6.2 y
despejando U0 nos queda:
(6.3)
Algunos sensores analizados (como el UGN3503 o el FHS 40) no superan los
5mV/Gauss, por este motivo para medir una corriente en el orden de los 100nA es necesario
que la cantidad de vueltas este en el orden del millón.
Fig. 6.3a Toroide con sensor de efecto Hall Fig. 6.3b Respuesta del sensor de efecto Hall
Este método resulta inviable por la gran cantidad de vueltas sobre el toroide que se
necesitan para medir corrientes pequeñas (en el orden de los 100 nA).
BKU *0 =
=Gauss
vueltaA
B
NI2,0
B
NI
2.0
**0
KINU =
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 32
6.2.3 Convertidor de Corriente tiempo (2)[10]:
Se puede emplear un convertidor corriente tiempo como el de la Figura 6.4.
La corriente va cargando el capacitor C hasta que la salida del integrador alcanza el
umbral de conmutación del detector de nivel; este conmuta entonces su salida. El
monoestable da un impulso de duración fija y los dos interruptores se cierran para descargar
rápidamente al capacitor. En cuanto se alcanza el umbral de conmutación bajo, el detector de
nivel pasa de nuevo al estado bajo, se abren los interruptores y empieza de nuevo la
integración. La velocidad de carga depende de la intensidad de la corriente, y si el tiempo de
descarga es suficientemente breve respecto al tiempo de integración, el tiempo de los
impulsos de salida será proporcional a la corriente de entrada.
Fig. 6.4 Estructura básica de un convertidor corriente en pulsos
Recordando que:
[6.7]
Si la corriente es constante, la integral es un rampa, en el caso de estudio la corriente
no es constante, es cuasi-exponencial decreciente, pero al ser su constante de tiempo tan
grande, en intervalos de tiempos cortos puede tomarse como constante; con lo que el circuito
que resulta es un convertidor de corriente a tensión.
[6.8]
[6.9]
[6.10]
Una vez que esta rampa supere un determinado umbral donde se genera un pulso de
ancho fijo, se cierran los interruptores, descargando al capacitor. La medida de corriente está
dada por el ancho en cero de los pulsos como muestra la figura 6.5.
∫−=t
t dtiC
U0
)(
1
∫−=t
dtIC
U0
1
C
tIU −=
UmbralC Ut
I=
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 33
Valor de tensión umbral
Tiempo fijo en el que se descarga el capacitor
Tiempo t en el que se carga el capacitor depende de i(t) y C
Siendo C el valor del capacitor, se trata de una i(t) mas grande que la de 1 y 2
Siendo C el valor del capacitor, y una i(t)
Carga del capacitor con una corriente constante
3 2 1
Fig. 6.5 Generación de los pulsos según corrientes y capacidades
La ganancia con la que se pueden medir corrientes pequeñas está dada por el valor de
la capacitancia. Esta define el tiempo en que la rampa llega al umbral, si es más pequeño,
hace que una corriente grande la cargue de forma más rápida que una corriente más pequeña.
Los cambios de ganancia se pueden hacer cambiando los valores de capacitancia. Para
definir estos valores hay que hacer los cálculos y tomar decisiones de compromiso, entre los
tiempos que se pueden medir, el valor umbral que se tome y los valores de capacitancia que
se dispongan.
El factor analógico que se debe cuantizar es un valor temporal y la señal de salida
tiene forma de pulsos digitales.
Existe un valor mínimo de capacidad y es el valor parasito que puede llegar a existir
entre los conductores de la placa, podemos considerar que este valor puede llegar a ser como
máximo de 50pF. Esta capacidad parasita nos genera un tiempo mínimo de salida. Si
consideramos que se quisiera medir 100nA, y usáramos una tensión umbral de 3V este
tiempo seria:
Este valor mínimo de tiempo es ciertamente incierto, porque no se conoce el valor de
mspA
VpFt 5,2
100
350 =−=
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 34
U0
R
Corriente de la celda a medir
Tensión de salida en función de la corriente de entrada
U-
capacidad parasita que se va a tener, lo que sabemos es que nos va a condicionar un valor de
tiempo mínimo de error dado por la capacidad parasita, y esta depende fuertemente de la
geometría con la que se realice el circuito impreso, a su vez esta capacidad no varia
linealmente con la temperatura, y solo algunos fabricantes proveen esta información.
Por otro lado, también se debe contar con una llave de relativa velocidad, si se
pretende descargar el capacitor entre muestra y muestra. Esta llave no puede ser mecánica
debido a que la cantidad de muestras que se pretenden tomar es similar al tiempo de vida de
este tipo de llaves. Si esta llave es integrada, se debe tener en cuenta que la tensión del
capacitor que se use debe llegar a cero, y seria deseable que el comando de la llave este
aislado eléctricamente de la corriente a medir.
Con lo expresado hasta aquí queda claro que si se desea utilizar este circuito se suman
muchos mas elementos a tener en cuenta a la hora de llevar la parte de adquisición analógica
a la practica. Por esta razón se decidió seguir analizando otros circuitos para realizar la
medición de la corriente.
6.2.4 Circuito Convertidor Corriente Tensión (3):
Este circuito, al igual que el circuito mencionado en 6.2.3, utiliza un amplificador
operacional como elemento principal de su funcionamiento, como se aprecia en la figura 6.6.
Fig. 6.6 Esquema básico de un convertidor Corriente Tensión
El factor de conversión del circuito viene dado por el valor de la resistencia. Esto se
explica de la siguiente forma:
Suponiendo que en el nodo U- la corriente no se divide y continúa por R, en este caso
USALIDA es igual a:
(6.11)
Como se desprende de 6.11 el factor de conversión depende únicamente de R.
IRU SALIDA −=
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 35
U0
R4 R3 R2 R1
Corriente de la celda
U-
L1 L3 L2 L4
Llaves para el cambio de Ganancia
R5
A diferencia del esquema planteado en 6.2.3 el tiempo en que se toma el valor de
corriente no depende de la corriente a medir.
Al usarse valores de resistencias grandes, en del orden de los 10 MΩ, para medir
corrientes pequeñas hace que las resistencias que puedan aparecer en el circuito de manera
involuntaria sean despreciables y no necesiten tenerse en cuenta pequeños detalles en el
diseño del circuito impreso.
El uso de este tipo de conversor en las primeras mediciones que se realizaron en el
IFLYSIB en comparación de los valores obtenidos con un amperímetro (KEITHLEY 175),
dieron menores al 5%.
Se decidió utilizar este esquema, aunque todavía no se analizaron algunos aspectos
como:
- Generar cambios de ganancia.
- El rechazo a perturbaciones.
- La forma de digitalizar la señal.
- Impedancia intercalada en el circuito de medición.
6.3 Detalles del convertidor de señal elegido:
Una vez tomada la decisión de utilizar el esquema de la figura 6.6 como base para las
mediciones, se ultimaron detalles para que este circuito fuera funcional al sistema de medida.
Se comenzó por establecer cómo se realizaría el cambio en el factor de conversión.
Una forma simple de realizar este cambio es el esquema que muestra la figura 6.7
Fig. 6.7 Esquema de cambio de factor
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 36
U0
R1
Corriente de la celda
U-
L1 Medición y comando de llaves
Las llaves L1 a L4 deben tener una resistencia de valor “cero” cuando estén cerradas,
e “infinito” cuando estén abiertas. De esta forma cada llave en paralelo con cada resistencia
va a generar un valor resistivo de cero, con la llave cerrada, o equivalente a la resistencia
cuando la llave esté abierta. Comandando adecuadamente las llaves se pueden generar los
distintos factores de conversión.
El comando de cada llave tiene que ser realizado teniendo en cuenta el valor de la
última corriente medida para mantener la sensibilidad. Por lo tanto, las llaves tienen que ser
comandadas por algún elemento que pueda realizar esta tarea.
La forma de implementar las llaves puede ser distinta.
6.3.1 Utilización de un transistor MOSFET
Como se ve en el circuito de la figura 6.8 se puede hacer una llave colocando un
transistor MOSFET en paralelo con la resistencia, cuando el transistor se encuentra en
conducción, la resistencia está en cortocircuito.
Fig. 6.8 Implementación de la ganancia con mosfet
El circuito de la figura 6.8 tiene como desventaja que un transistor MOSFET no
garantiza una resistencia cero entre “source” y “drain”; existe entre estos terminales una
resistencia denominada RON distinta de cero.
Por otro lado, usar este tipo de dispositivo no produce la aislación de la corriente a
medir del control realizado. Por esta razón, se descartó este circuito.
6.3.2 Utilización de un reed relé:
El reed relé consiste en un par de contactos metálicos. Al acercarse a un campo
magnético, los contactos se unen cerrando un circuito eléctrico. La elasticidad de los
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 37
U0
R1
Corriente de la celda
U-
L1
Medición y comando de llaves
contactos hará que se separen al desaparecer el campo magnético. Para asegurar la
durabilidad, la punta de los contactos tiene un baño de un metal precioso. En la figura 6.9a,
se muestra el esquema de un reed relé en tubo de vidrio, mientras que el que se usó es de
encapsulado monolítico como el que muestra la figura 6.9b.
Fig. 6.9a Reed relé en una capsula de vidrio Fig. 6.9b Reed relé en un encapsulado monolítico
El circuito sería el de la figura 6.10. De esta forma, el circuito que mide y realiza el
comando de la llave estaría aislado del factor de ganancia y, lo más significativo de esta
metodología, es que cuando la llave esté cerrada la resistencia que se ve en bornes del
operacional va a ser estrictamente la de dos contactos metálicos cerrados.
Al ser dos contactos metálicos que se cierran existe un rebote similar al de los relés
(del capitulo 5), pero el tiempo total de cierre, en este caso, es menor y ronda entre los 2 y 5
ms, menor que el tiempo entre muestras, 1 s.
El cambio de ganancia se realiza de acuerdo a la última medida tomada. Al ser una
corriente monótonamente decreciente se va a producir la activación de cada ganancia solo
una vez por medición y en forma consecutiva.
Fig. 6.10 Circuito de cambio de ganancia con reed relé
Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 38
Quedan por definir los valores de cada resistencia, esto va a estar relacionado con la
salida que se desee tener en el amplificador operacional y la entrada del circuito de
conversión analógica digital.
6.4 Conversión A/D de la señal:
La señal ya de tensión debe ser digitalizada para poder almacenarse. La forma en que
se digitaliza se postergará para el capítulo 7 y formará parte del módulo de control, este
módulo también va a permitir realizar los cambios de ganancia.
Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 39
Comando de ganancias
Digitalización de la medida
Control de carga o
medición
Comunicación con la PC
Modulo de Control
PC
Fuente de tensión continua
U-
Circuito de cambio de ganancias
Celda
Llave de carga o medición
U
Capítulo 7
Módulo de control
En este capitulo se desarrolla el modulo encargado de digitalizar la señal, transmitirla
a la PC, comandar los valores de ganancia (de acuerdo al valor de corriente digitalizado) y
comandar el comienzo y fin de la medición.
Un esquema de lo planteado sería el que se muestra la figura 7.1
Fig. 7.1 Detalle del modulo de control
Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 40
7.1 Forma de realizar el control (4):
No existe un integrado que realice todas estas acciones. Por tanto, se planteo la
utilización de un dispositivo programable, al que se le pudieran asignar todas estas tareas.
Se decidió utilizar un microcontrolador. Éste es un circuito integrado o chip que
incluye en su interior las cuatro unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria,
Unidades de E/S y Periféricos.
Un microcontrolador típico tiene un generador de reloj integrado y una pequeña
cantidad de memoria RAM (cientos de bytes) y ROM/EPROM/EEPROM/FLASH. Para
hacerlo funcionar se necesita un programa de control y un cristal que permita la oscilación del
reloj interno. Generalmente, los microcontroladores disponen también de una gran variedad
de dispositivos periféricos como entrada/salida, convertidores analógico digital,
temporizadores, y buses de interfaz serie especializados, como UART (transmisor receptor
asíncrono universal), I2C (circuitos inter integrados) y CAN (red de control de área).
Para decidir por un dispositivo apropiado para el diseño, se analizó con mayor
detenimiento las funciones que se le asignaran al bloque de control, estas son:
- Comunicación con la PC.
- Conversión Analógica a Digital.
- Control de ganancias.
- Comando de llaves para comienzo y fin de la medida.
Todas estas funciones pueden ser realizadas con un microcontrolador.
7.2 Elección del microcontrolador (5)(6)(7):
Dada la poca complejidad del control a realizar no es necesario un microcontrolador
de más de 8 bits de palabra.
Existe una gran variedad de fabricantes de microcontroladores, y a su vez existe una
gran cantidad de modelos en cada marca. Por esta razón, se confeccionó una lista de los
microcontroladores que se podrían conseguir en el mercado.
Los elementos mínimos que debe tener para facilitar el desarrollo son: conversor A/D,
UART (siglas en inglés de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), un temporizador
(contadores que se incrementan con la frecuencia de reloj del microcontrolador, generando un
temporizador), puertos de entrada salida (E/S), que posibilitan el control de las distintas
llaves.
Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 41
A continuación se analizan algunos de los microcontroladores disponibles en el
mercado local con las características mencionadas.
7.2.1 Atmel [18]:
Comparación entre algunos integrantes de la familia AVR de Atmel:
El AVR tiene una CPU de arquitectura Harvard. Posee 32 registros de 8 bits. Algunas
instrucciones sólo operan en un subconjunto de estos registros. En los 32 registros, los de
entrada/salida y la memoria de datos conforman un espacio de direcciones unificado, al cual
se accede a través de operaciones de carga/almacenamiento. La pila (o stack) se ubica en este
espacio de memoria unificado y no está limitado a un tamaño fijo.
La tabla 7.1 que se presenta a continuación muestra la comparacion:
7.2.2 Freescale [19]:
En el caso de los microcontroladores Freescale, dos alternativas son el HC08 o el
HCS08. Corresponden a familias de microcontroladores de 8 bits y arquitectura de Von
Neumann con un solo bloque de memoria.
Ambos son microcontroladores de propósito general, cada miembro de esta familia
cuenta con diferentes periféricos internos, pero con una CPU común que permite migrar
aplicaciones entre ellos, facilitando así el diseño.
Entre los periféricos internos con los que cuentan estos microcontroladores, están, los
conversores analógicos-digital, módulos de control de tiempos y sistemas de comunicaciones
como SPI, I²C, USB o SCI o UART entre otros.
La tabla 7.2 es una comparativa entre los distintos integrantes de las familias HC08 y
HCS08.
Memoria Timers Microcontrolador RAM
(Bytes) EEPROM (kBytes)
Programa (kBytes)
Conversores A/D 8
bits 16 bits
Puertos E/S
Frecuencia Maxima
de trabajo
UART
ATmega3250 2048 1 32 8 2 1 69 16 1 ATmega3250P 2048 1 32 8 2 1 69 20 1 ATmega325P 2048 1 32 8 2 1 54 20 1 ATmega328P 2048 1 32 8 2 1 23 20 1 ATmega32A 2048 1 32 8 2 1 32 16 1
ATmega48PA 512 0.25 4 8 2 1 23 20 1 ATmega64 4096 2 64 8 2 2 54 16 2
Tabla 7.1 Microcontroladores Atmel
Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 42
7.2.3 Microcontroladores de la marca Microchip [20]:
Los microcontroladores de esta marca son conocidos como PICs. Existen tres
segmentos: los de gama baja, media y alta; y dentro de cada uno de estos una gran variedad de
modelos. La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard. En esta arquitectura, la
CPU se conecta de forma independiente y con buses distintos con la memoria de instrucciones
y con la de datos.
La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder simultáneamente a las dos
memorias. Además, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema, como
facilitar la aplicación de la técnica de segmentación (“pipe-line”) en la ejecución de las
instrucciones.
La segmentación permite al procesador realizar al mismo tiempo la ejecución de una
instrucción y la búsqueda del código de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada
instrucción en un ciclo (un ciclo de instrucción equivale a cuatro ciclos de reloj).
El formato de todas las instrucciones es de la misma longitud
Todas las instrucciones de los microcontroladores de la gama baja tienen una longitud
de 12 bits. Las de la gama media tienen 14 bits y las de la gama alta 16 bits.
Usa un Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido).
Microcontrolador Com. Serie
Mem. de Programa (kByte)
Frecuencia del Bus
Max(MHz)
Timers numero
de Timers
Timers - Canales
Timers tamaño
(bit) Adicionales
A/D Bits
Canales de Conversión
A/D
E/S Pins
68HC908JK3E - 4 8,4 -,1,- 2,2,2 16,16,- Input
Capture,Output Compare,PWM
- - 15, 23
68HC908JK8 SCI,SPI 8 8,4 -,1,- 2,2,2 16,16,- Input
Capture,Output Compare,PWM
8 10 15
68HLC908JL3E - 4 4,8 - 2 16 - 8 12 23
68HC908QT4A - 4 8.2,8 1 2 16 Input
Capture,Output Compare,PWM
10 6 6
MC908QB8) SPI,SCI 8 8 1 4 16 PWM,Input
Capture,Output Compare
10 10 14
MC908QY8 SCI 8 8 -,1,- 2,1,2 -,16,16 Input
Capture,Output Capture,PWM
10 4 16, 14
S08QB SCI 8,4 10 1,1 1,1 16,8 PWM,Output
Compare,Input Capture
8 12 14, 20, 24
S08SE SCI 8,4 10 1,1 2,1 16,16
Input Capture,Output Compare,PWM 10 10
14, 24
Tabla 7.2 Microcontroladores Motorota
Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 43
Los modelos de la gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones, 35 los de
la gama media y casi 60 los de la alta.
Todos los elementos del sistema (puertas de E/S, temporizadores, posiciones de
memoria, etc.) están implementados físicamente como registros.
Una lista de los microcontroladores posibles se encuentra en la tabla 7.3, junto con
algunas de sus características:
Microcont.
Memoria de
Programa k Bytes
Memoria EEPROM
RAM E/S Pins
Max. CPU clock MHz
Cant de canales
A/D
Comunicaciones
Digitales
Timers
PIC16F874A 7 128 192 33 20 8 0 -UART , 1 -A/E/USART ,
0 -SPI , 0 -I2C , 1 -MSSP(SPI/I2C)
2 - 8-bit , 1 - 16-
bit
PIC16F876A 14 256 368 22 20 5 0 -UART , 1 -A/E/USART ,
0 -SPI , 0 -I2C , 1 -MSSP(SPI/I2C)
2 - 8-bit , 1 - 16-
bit
PIC16F877A 14 256 368 33 20 8 0 -UART , 1 -A/E/USART ,
0 -SPI , 0 -I2C , 1 -MSSP(SPI/I2C)
2 - 8-bit , 1 - 16-
bit
PIC16F88 7 256 368 16 20 7
0 -UART , 1 -A/E/USART , 0 -SPI , 0 -I2C , 0 -MSSP(SPI/I2C) , 1 -
SSP(SPI/I2C)
2 - 8-bit , 1 - 16-
bit
PIC18F2423 16 256 768 25 40 10 0 -UART , 1 -A/E/USART ,
0 -SPI , 0 -I2C , 1 -MSSP(SPI/I2C)
1 - 8-bit , 3 - 16-
bit
PIC18F2431 16 256 768 24 40 5
0 -UART , 1 -A/E/USART , 0 -SPI , 0 -I2C , 0 -MSSP(SPI/I2C) , 1 -
SSP(SPI/I2C)
1 - 8-bit , 3 - 16-
bit
PIC18F2450 16 0 768 23 48 10 0 -UART , 1 -A/E/USART ,
0 -SPI , 0 -I2C , 0 -MSSP(SPI/I2C)
1 - 8-bit , 2 - 16-
bit Tabla 7.3 Microcontroladores Microchip
7.2.4 Elección del microcontrolador:
Cualquier microcontrolador de los que se encuentran en las tablas 7.1, 7.2 y 7.3 puede
ser usado para realizar el control del equipo. Por esta razón, la decisión final sobre qué
microcontrolador usar se baso en el software de programación, conocimiento técnico sobre el
lenguaje del microcontrolador y las herramientas de programación.
La marca a usar. Se eligió por tener las herramientas necesarias para su programación
y simulación; la marca es Microchip.
El microcontrolador. Dentro de esta marca existe una amplia variedad de modelos,
más allá de los que se expusieron en la tabla 7.3.
Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 44
La elección se fundamenta en la cantidad de pines, dando por descontado que,
cualquiera sea el microcontrolador que se elija, todos tienen los periféricos necesarios para
realizar el control, puerto de comunicaciones seriales, puertos de E/S suficientes para el
control de las ganancias y conversores A/D. Por esta razón, se pensó en uno de los
microcontroladores de 40 pines, pensando en dar respuesta a posibles ampliaciones futuras
que requieran de más puertos de entrada/salida, como por ejemplo un “display” de cristal
líquido o de 7 segmentos, entradas de canales analógicos adicionales o alguna otra
especificación que se plantee como necesaria con el uso del equipo.
Teniendo en cuenta estas consideraciones se eligió el PIC16F877A. Este cuenta con:
• 14 k Bytes de memoria de Programa.
• 388 Bytes de memoria volátil, para datos.
• 8 conversores analógico digitales.
• 1 Puerto UART, para establecer comunicaciones seriales con la computadora.
Se eligió este microcontrolador porque cuenta con todo lo necesario para desarrollar el
proyecto.
7.4 Comunicación con la PC
Para establecer la comunicación desde el sistema de medición con la PC existen dos
formas posibles: de forma paralela y serial.
En la forma paralela se utiliza el puerto paralelo de la computadora, este requiere de
cuatro líneas de transmisión y cuatro líneas de recepción entre el módulo de control y la PC.
La comunicación serial requiere de una línea para transmitir a la PC y de una línea de
recepción desde la misma, puede ser por puerto serie o por USB.
Se decidió utilizar la transmisión en forma serial, aprovechando el periférico dedicado
a este tipo de comunicaciones que tiene el microcontrolador, el hecho de que sólo requiere de
dos puertos de entrada/salida del mismo y la simplicidad de implementación (tanto de
hardware como de software) respecto de USB. También da algunas ventajas en cuanto a la
programación del software.
Capitulo 8 Software de la PC 45
Capítulo 8
Software de la PC
En los entornos o lenguajes de programación es posible escribir un programa mediante
un código o lenguaje comprensible semánticamente por una persona (este código es llamado
código fuente), una vez escrito es posible convertirlo en un archivo binario, el que puede ser
procesado por una máquina.
Con el objetivo de decidir cuál usar, se analizaron algunos entornos, con énfasis en las
ventajas y desventajas respecto de la forma de programación en cada uno y
fundamentalmente, las ventajas que podría llegar a tener el programa final del equipo. Estas
ventajas pueden ser:
- Interfaz Gráfica amigable e intuitiva:
o Debería permitir observar de forma gráfica y en tiempo real la señal que se
está midiendo con el equipo. También se debería poder visualizar la señal ya
almacenada.
o Con configuración del equipo usando sólo el Mouse sin necesidad de
introducir códigos por teclado.
o Se deberían poder guardar los archivos que se van generando de forma
similar a cualquier programa con interfaz gráfica (ejemplo Word, Excel,
etc.).
o Ver la ganancia con la que se está operando el equipo en cada uno de los
momentos.
- Comunicación usando los puertos de la PC
o Permitir configurar los puertos de forma rápida e intuitiva. Sin necesidad de
ingresar algún comando.
o Poder ver el estado en el que se encuentra el puerto que se está usando, como
así también la configuración que se está usando.
- Estabilidad:
o El programa debe ser capaz de almacenar la cantidad de muestras necesarias.
En el capítulo cuatro, se manifestó que se tomaría una muestra durante 1
segundo aproximadamente, durante 1 o 2 semanas. De esto se deduce que el
Capitulo 8 Software de la PC 46
programa debe funcionar durante todo ese período de tiempo sin ser
reiniciado.
8.1 Entorno de programación con lenguaje C (8):
El lenguaje de programación C fue creado en 1972 por Ken Thompson y Dennis M.
Ritchie en los Laboratorios Bell; resultado de una evolución del anterior lenguaje B, a su vez
basado en BCPL.
Al igual que B, C es un lenguaje orientado a la implementación de Sistemas
Operativos, concretamente Unix. Es apreciado por la eficiencia del código que produce y es el
lenguaje de programación más popular para crear software de sistemas, aunque también se
utiliza para crear aplicaciones.
Uno de los objetivos de diseño de este lenguaje fue que sólo fueran necesarias unas
pocas instrucciones en lenguaje máquina para traducir cada elemento, sin que hiciera falta un
soporte intenso en tiempo de ejecución.
Algunas fuentes sostienen que el lenguaje C es de nivel medio porque suele ser
clasificado como de alto nivel, pero permite ciertos manejos de bajo nivel que son precisos
para algunas aplicaciones como la creación de sistemas operativos, ya que permiten un
manejo abstracto (independiente de la máquina, a diferencia del ensamblador), pero sin perder
mucho del poder y eficiencia que tienen los lenguajes de bajo nivel.
Típicamente, sólo la programación cuidadosa en lenguaje ensamblador produce un
código más rápido, pues da control total sobre la máquina, aunque los avances en los
compiladores de C y la complejidad creciente de los microprocesadores modernos han
reducido gradualmente esta diferencia.
Aunque es posible desarrollar el software en este leguaje, presenta algunas dificultades
con los puertos de comunicaciones de la PC cuando se corre sobre la plataforma de Windows
XP. Existen métodos complejos para solucionar esto, pero son de la misma o mayor
complejidad que la del programa en sí.
Por otra parte, la construcción de una interfaz gráfica intuitiva y amigable al usuario es
muy dificultosa de implementar, con lo que el tiempo de desarrollo del programa sería
demasiado largo y complejo.
8.2 Entorno de programación Visual Basic:
Visual Basic es un lenguaje de programación de Microsoft. El lenguaje de
programación es un dialecto de BASIC, con agregados y modificaciones importantes.
Capitulo 8 Software de la PC 47
Principalmente, es un entorno completamente gráfico que facilitará la creación de interfaces
gráficas y en cierta medida también la programación en sí.
Es un IDE (entorno de desarrollo integrado o en inglés Integrated Development
Enviroment). Consiste en un editor de código (programa donde se escribe el código fuente),
en un depurador (programa que permite al programador ejecutar el programa y analizar el
código línea a línea, ver los valores que se le asignan a cada variable, etc). En el transcurso
del programa, un compilador (programa que traduce el código fuente a lenguaje de máquina)
y en un constructor de interfaz gráfica o GUI (de las siglas interfaz gráfica para el usuario o
en inglés graphic user interface). Es una forma de programar en la que no es necesario escribir
el código para la parte gráfica del programa, sino que se puede hacer de forma visual,
arrastrando y colocando ordenadamente los elementos que se desea usar: botones elementos
de texto etc. Como se muestra en la figura 8.1
Figura 8.1 Entorno Visual Basic
Este lenguaje parece adecuado, debido a que permite construir de forma eficiente una
interfaz gráfica intuitiva y simple de utilizar, siendo este el objetivo principal del entorno.
También, y mediante librerías API de Windows, permitiría utilizar los puertos de la
PC sin inconvenientes, aunque sólo bajo entorno de Windows.
Capitulo 8 Software de la PC 48
8.3 Entorno de programación Borlan Delphi:
Delphi es un IDE diseñado para la programación de propósito general con énfasis en la
programación visual. En Delphi, se utiliza como lenguaje de programación una versión
moderna de Pascal llamada Object Pascal. Una actualización del lenguaje PASCAL, con
manejo de objetos.
En sus diferentes variantes, permite producir archivos ejecutables para Windows,
Linux y la plataforma .NET. En la figura 8.2 se puede observar al entorno de programación.
Figura 8.2 Entorno de desarrollo Delphi
Delphi incluye una biblioteca de clases denominada VCL (Visual Component Library,
Biblioteca de Componentes Visuales). Las cuales sólo se arrastran a la zona de trabajo, y
luego se ajustan las propiedades para que cumplan una función deseada dentro del programa.
Permite de manera sencilla ejecutar trozos de código en respuesta a acciones o eventos
(sucesos) que ocurren durante el tiempo en que un programa se ejecuta. Por ejemplo, cuando
se presiona un botón, la VCL captura la notificación estándar de Windows, y detecta si hay
algún método asociado al evento OnClick del botón. Si lo hay, manda ejecutar dicho método.
Además de poder utilizar en un programa los componentes estándar (botones, grillas,
conjuntos de datos, etc.), es posible crear nuevos componentes o mejorar los ya existentes,
extendiendo la funcionalidad de la herramienta. En Internet existe un gran número de
componentes, tanto gratuitos como comerciales, disponibles para los proyectos.
Capitulo 8 Software de la PC 49
Un ejemplo de estas herramientas externas es la denominada Teechart de la empresa
Steema Software; esta es una poderosa herramienta que permite realizar gráficos de forma
muy simple. Desarrollada mediante aplicaciones VCL para Delphi, permite agregar todo un
sistema para graficar con sólo definir el gráfico que se desea utilizar (en tiempo de
programación) y, luego, se le dan los valores que queremos que se vayan graficando, (en
tiempo de ejecución). El objeto se encarga sólo de la administración de su memoria y permite,
en tiempo de ejecución, ver todos los valores que le fueron entregados en forma de gráfica.
Esta herramienta está disponible en forma gratuita para Delphi.
8.4 Elección:
Finalmente se decidió realizar el programa en Delphi por las siguientes razones:
a- Programación visual. Este tipo de programación permite hacer un programa
con una interfaz gráfica amigable e intuitiva, lo que garantiza el tiempo de
aprendizaje por parte del usuario final.
b- Programación de alto nivel con orientación a objetos. Esto simplifica
notablemente el desarrollo de la aplicación, así como también los tiempos de
programación gracias a la gran cantidad de herramientas prediseñadas.
c- Posibilidad de migrar a otros Sistemas Operativos. Esta posibilidad permite que
con muy pocas modificaciones al código fuente, éste pueda ser compilado para
funcionar bajo otros sistemas operativos (con Kylix posibilitando la
compilación del código para Linux).
d- Conocimientos previos en la programación en Delphi
Capitulo 9 Resumen de la sección 50
Fuente de tensión continua Celda
Llave de carga o medición
U0
R4 R3 R2 R1
U-
L1 L3 L2 L4
R5
Capítulo 9
Resumen de la sección
El siguiente capitulo recopila y sintetiza el trabajo expuesto en capítulos anteriores.
Además organiza el desarrollo del trabajo en dos etapas: la primera, donde se desarrolla el
modulo analógico y la segunda denominada parte digital, donde se desarrolla toda la
programación necesaria.
9.1 Parte Analógica:
La parte analógica del sistema está compuesta por el conjunto llave principal,
adaptación de señal y ganancias.
Esta parte del sistema se encarga de ajustar la señal para realizar la conversión A/D, de
modo que pueda ser procesada y guardada por la parte digital del sistema.
Esta parte del sistema quedaría como el que muestra la figura 9.1
Fig. 9.1 Adaptación de señal y cambio de ganancia
Este circuito, como ya se mencionó en el capítulo 6, permite a la parte digital controlar
el factor de conversión de la parte analógica de forma aislada, mediante la utilización de reeds
reles. Así como también la conexión del sistema de medida a la celda con la utilización de un
relé (capitulo 5), también controlado por la parte digital del sistema.
Capitulo 9 Resumen de la sección 51
9.2 Parte Digital:
Esta etapa está compuesta por el módulo de control de ganancias y comienzo o fin de
medición, la comunicación con la PC y el software en la computadora.
Se decidió que el control, realizado con el microcontrolador, también incluya la
conversión analógica a digital.
Este Modulo se implementa con un microcontrolador PIC16F877, que posee un
periférico para la conversión A/D de 10 bits, con 8 canales multiplexados, un módulo UART
para la comunicación con la PC, y 31 puertos de E/S que posibilitan los cambios de ganancia
y, además, dejarían un resto para alguna otra función que pueda ser requerida.
El Software de la PC se desarrolla con el entorno Delphi. Este permite realizar un
software con interfaz gráfica intuitiva y amena a la vista, con gráfica en tiempo real, y
comunicación con el puerto serie de la PC.
La comunicación entre el microcontrolador y la PC se realiza de forma serial. Esta usa
solo dos líneas de E/S en el microcontrolador y da ventajas en la programación del software
por el hecho de que en el entorno Delphi las comunicaciones seriales generan un evento que
permite el llamado automático a la rutina que procesa los datos entrantes por el puerto.
Actualmente, los puertos tanto serie como paralelo están tendiendo a desaparecer, y a
ser reemplazados por puertos USB (bus serie universal o en ingles Universal Serial Bus).
Otra ventaja de utilizar un puerto serial es que esto genera la posibilidad de migrar a
un puerto USB mediante adaptadores SERIE-USB, que a través de controladores informáticos
generan que en la PC se vea un puerto serie virtual, posibilitando que el equipo pueda usarse
en computadoras que no poseen puertos seriales.
El esquema de la parte digital quedaría como detalla la figura 9.2
Capitulo 9 Resumen de la sección 52
Fuente de tensión
U-
Circuito de cambio de ganancias
Celda
Llave de carga o medición
U
Operaciones lógicas y puertos
de e/s
Conversores A/D
PUERTOS DE E/S
UART
Microcontrolador PIC 16F877
Comunicación Serial
PC
Delphi
Figura 9.2 Detalle del esquema digital
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 53
Capítulo 10
Desarrollo práctico del módulo analógico
El presente capitulo describe el desarrollo práctico del modulo analógico. Se
especifican detalles de la forma constructiva y de los esquemas de conexión utilizados.
10.1 El esquema analógico:
En la figura 10.1 se muestra el esquema del circuito analógico a desarrollar. Para esto
hace falta definir dos aspectos:
- El amplificador operacional a utilizar.
- Los valores de resistencias para establecer los distintos factores de conversión.
10.1.1 El amplificador operacional:
Algunas características que debe tener el operacional para este trabajo son:
- Baja corriente de polarización, de los transistores internos respecto de la
corriente a medir; esto permite que la corriente de polarización sea despreciable.
- Baja impedancia de salida, con respecto a la etapa de entrada del conversor
analógico a digital (A/D)
- Una ganancia de lazo abierto muy elevada, en el orden de los 100dB.
Como se mencionó en 3.4 y en el capitulo 4, este sistema de medición nace de la
necesidad de automatizar medidas que ya se venían realizando, pero que tenían grandes
deficiencias de implementación debido justamente a la falta de automatización. Antes de
comenzar este trabajo, ya se estaban utilizando conversores corriente tensión con el espíritu
general del conversor mostrado en la figura 10.1. El amplificador operacional que se usaba
en estos conversores era el LF411.
Se analiza este amplificador operacional para validar su uso de acuerdo a las
características arriba mencionadas.
Su entrada es de tecnología mosfet lo que garantiza una baja corriente de
polarización, posee también una baja corriente de offset, estos atributos se verifican en la
tabla 10.1.
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 54
Tabla 10.1 Características del amplificador operacional lf411 extraída de la hoja de datos de Nacional Semiconductors
Analizando otros amplificadores como el TLV2241 o el OPA735 se concluyó que
este amplificador es apto para las necesidades, si bien existen amplificadores con menores
corrientes de polarización, con mayores ganancias de lazo abierto, se comenzó a trabajar con
este, porque cumple con los requerimientos y su costo y disponibilidad lo hacen fácil de
reponer.
10.1.2 Valores de resistencias posibles:
La expresión del factor de conversión ya expresada en 6.2.4 es:
Es decir, que el factor de conversión es directamente el valor de resistencia que
tengamos.
Por lo dicho, se hace necesario saber los límites, superior e inferior de corriente en los
que se quiere trabajar y mantener, sin cambiar el valor del factor de conversión.
Los valores de resistencia que se muestran en la tabla 10.2 fueron elegidos junto con
las corrientes mínimas y máximas, de tal forma que la tensión de salida del operacional esté
entre 0,5V y 4,5V. Estas tensiones son las que van a ser adquiridas por el conversor A/D.
Estos valores fueron elegidos porque que el conversor trabaja con tensiones de entre 0V y
5V. Convierte las tensiones a un valor decimal entero, con una resolución de 10 bits, con lo
0,5V se va a traducir en un valor de 102 unidades digitales, y 4,5V en 921 unidades, con lo
que quedan centrados en la amplitud de tensión aceptada por el conversor (0V a 5V).
IRU SALIDA −=
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 55
U0
R5 R4 R3 R2
Corriente de la celda a medir
U-
L1 L3 L2 L4
R1 R6
L5
Los valores de resistencia son totales, debido a las características del circuito resulta
simple que cada cambio de factor se realice abriendo las llaves sucesivamente; esto genera
que los valores de los resistores se vayan acumulando.
Es lo que intenta representar la figura 10.1.
Figura 10.1 Cambios de factor
Esto significa que la primer resistencia será de 1 kΩ, la segunda de 9 kΩ con lo que la
suma dará 10 kΩ de resistencia totales, que es el valor que se muestra en la tabla.
10.2 Valores de Resistencias en el mercado:
Una vez establecidos los primeros valores teórico-prácticos de las resistencias que
fijarán los factores de conversión, se buscaron valores comerciales que correspondieran con
Valor de resistencia total Corriente mínima Corriente máxima
1 kΩ 450 µA 4,5 mA
10 kΩ 45 µA 450 µA
100 kΩ 4,5 µA 45 µA
1 MΩ 0,45 µA 4,5 µA
10 MΩ 45 nA 0,45 µA
100 MΩ 4,5 nA 45 nA
Tabla 10.2 Valores de resistencias totales
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 56
los elegidos. Por este motivo es necesario cambiar los valores planteados en 10.2 para poder
utilizar valores normalizados. Como muestra la tabla 10.3
Cuando comenzaron a adaptarse los valores teórico-prácticos a valores prácticos, se
encontró que, el circuito perdía simplicidad, por la necesidad de colocar resistencias en serie
y porque a medida que los valores de resistencia que se necesitan van en aumento, también
aumenta la complicación para conseguir dichos elementos; por ejemplo, resultó imposible
encontrar resistencias superiores de 10 MΩ de metal film.
La falta de estos resistores obligó a realizar modificaciones al circuito que permitieran
alcanzar los valores de conversión propuestos en la tabla 10.2. Para evitar estos problemas se
planteó una modificación que se ve en la figura 10.2. Esta consiste en colocar un divisor
resistivo en la salida del amplificador operacional, con lo que la realimentación genera un
factor que multiplica al factor de conversión original como se expresa en la ecuación 10.1
Posición de la
resistencia
Valor teórico
elegido
Valor comercial elegido
1 1 kΩ 1 kΩ
2 9 kΩ 6.3 kΩ + 2.7 kΩ
3 90 kΩ 63 kΩ + 27 kΩ
4 900 kΩ 630 kΩ + 270 kΩ
5 9000 kΩ 6.3 MΩ +2.7 MΩ
6 90 MΩ 63 MΩ +27 MΩ
Tabla 10.3 Valores de resistencias totales
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 57
U0
U0
R5 R4 R3 R2
Corriente a medir
U-
L1 L3 L2 L4
R1
R6 L5
R7
Salida
Ui
Figura 10.2 Esquema de conversión
Ecuaciones de la ganancia:
Si:
La ecuación de conversión de corriente tensión es:
La tensión en U0 es:
La tensión en U0, operando con las ecuaciones anteriores se llega a:
[10.1]
Con esta ultima expresión [10.1] la ganancia de la corriente no depende solo de un
valor de resistencia, sino de la relación entre dos resistencias (R6 y R7), si R6>R7
conseguimos que el factor de conversión sea veces mayor que si solo se usara R.
Con esta relación podemos tener un factor de conversión elevado sin necesidad de
valores de resistencias muy grandes.
Se debe tener cuidado con el factor de ganancia ya que si se lo hace muy grande,
puede dejar de cumplirse la hipótesis de tierra virtual, lo que llevaría a que la ganancia no sea
la calculada. Por otra parte R7 limita la corriente (cuando L5 esta cerrada) de salida del
amplificador operacional, y con este parámetro se tienen que elegir una corriente adecuada.
Las resistencias elegidas son las que se muestran en la tabla 10.4
iUI
R=
1 2 3 4 5R R R R R R= + + + +
6
7
R
R
( )7
760 R
RRUU i +•=
( )
+••=+••=
7
6
7
760 1
R
RRI
R
RRRIU
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 58
Se replantearon también los valores de resistencias para obtener simpleza en el
montaje final, utilizando una sola resistencia por ganancia. Para esto, se decidió utilizar los
valores de resistencia que se muestran en la tabla 10.4.
Los resistores R6 y R7 conforman una sola ganancia.
10.3 Filtros:
Una vez que se construyo el prototipo de la figura 10.2 para probar la eficiencia del
circuito, comenzó a notarse la aparición de una señal de 50Hz esta se induce en los cables a
partir de la red eléctrica. Este ruido tiene que ser filtrado de alguna forma. En un principio se
utilizo, para conectar la celda al equipo, un cable blindado con el blindaje conectado a tierra.
Cuando se probó este circuito en el laboratorio del IFLISIB esto no fue suficiente. Por
este motivo se agregaron dos tipos de filtros, uno analógico, y otro digital.
10.3.1 Filtro Analógico:
Se implemento un filtro colocando capacitores en paralelo con las resistencias que
generan el factor de conversión, como se muestra en la figura 10.4. Este filtro permite, de
forma simple, atenuar la señal de 50Hz que se encuentra solapada sobre la señal que se
quiere medir, y no afecta a la señal de interes debido a que la variación de corriente que
posee es muy pequeña comparada con la de 50Hz que posee la perturbación.
Resistencia Número Valor comercial
elegido
Valor de ganancia teórica
elegida
1 1 kΩ 1 kΩ
2 10 kΩ 11 kΩ
3 100 kΩ 111 kΩ
4 1MΩ 1,111 MΩ
5 10 MΩ 11,111 MΩ
6 10 kΩ
7 1 kΩ
111,111 MΩ
Tabla 10.4 Valores de resistencias finales
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 59
Figura 10.4 Filtro RC
Esta conexión hace que el factor de conversión para las señales de 50 Hz se vea
afectado por el valor de la impedancia resultante en esta frecuencia. Y para obtener una
impedancia resultante baja se hace necesario que la frecuencia de corte del filtro sea mucho
menor que la frecuencia a partir de la cual se quiere eliminar.
Por este motivo se eligió una frecuencia de corte de 1 Hz. La curva de Bode de este
tipo de filtro es el que se muestra en la figura 10.5. Se puede ver que en la frecuencia de 50
Hz, que es la que más interfiere en la medición, se está produciendo una atenuación de 40
dB, algo así como unas 100 veces.
Figura 10.5 Bode del filtro RC
Si analizamos la respuesta al escalón nos encontramos con la respuesta que muestra la
figura 10.6.
Mag
nitu
d (d
b)
Frecuencia (rad/s)
Diagrama de Bode
R
U-
U0
Corriente de la celda a medir
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 60
Figura 10.6 Respuesta al escalón del filtro RC
Una vez realizado el cambio de ganancia, la respuesta del filtro va tardar
aproximadamente 5 s, con lo que se perderán las muestras en el intervalo de respuesta. Es
decir se perderán 5 o 6 muestras (se toma 1 muestra por segundo) en este intervalo.
Teniendo en cuenta que se pretenden tomar alrededor de 1 millón de muestras
divididas en 5 ganancias, serian 250 mil muestras por ganancia, con lo que 5 muestras no son
significativas. Con lo que la respuesta en el tiempo del filtro es aceptable.
Los valores de capacidad elegidos para cada resistencia del circuito adaptador de
señal son los que se muestran en la tabla 10.5
Resistencia N Valor de R Capacidad Elegida fC
1 1 kΩ 1000 µF 1Hz
2 10 kΩ 100 µF 1Hz
3 100 kΩ 10 µF 1Hz
4 1MΩ 1 µF 1Hz
5 10 MΩ 0,1 µF 1Hz
6 10 kΩ 100 µF 1Hz
Tabla 10.5 Resistencias y capacidades correspondientes a cada filtro
[V]
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 61
U0
R5 R4 R3 R2
Corriente a medir
U-
L1 L3 L2 L4
R1
R6 L5
R7
Salida
C1 C3
C6
C5 C2 C4
10.4 Impedancia vista desde la entrada:
Para medir una corriente, es posible intercalar una resistencia o un elemento que nos
dé información de la corriente, y a su vez, conectar algo en el circuito a medir produce un
error llamado de inserción.
Para que el error de inserción sea lo menor posible, es necesario que la impedancia
que se intercala en el circuito a medir sea despreciable, frente al circuito a medir.
Si se analiza el circuito analógico, re dibujado en la figura 10.7, con todos los filtros
colocados, y queremos ver la impedancia que se le presenta al circuito a medir, esta es la
impedancia que presenta el amplificador operacional en su entrada, y si recordamos la
simplificación de tierra virtual se puede concluir que el circuito a medir está directamente
conectado a tierra, y que la impedancia que ve en bornes del circuito analógico intercalado
para medir la corriente es nula, siempre y cuando la suposición de tierra virtual se cumpla.
Figura 10.7 Circuito analógico
Para que la suposición de tierra virtual se cumpla debe ocurrir que la ganancia del
amplificador a lazo abierto sea muy grande (en teoría infinita).
Se debe tener en cuenta, también, a la corriente de polarización. Esta tiene que ser
despreciable con respecto a la corriente que se quiere medir. En la tabla 10.1 se puede ver
que esta corriente como máximo garantizado por el fabricante, a 70ºC es de 4nA y de 200pA
a 25ºC, si la temperatura de trabajo del Amplificador es cercana a los 70ºC la corriente de
polarización no seria despreciable si pretendemos llegar a decenas de nA. Existen otros
amplificadores que tienen una corriente de polarización mucho más baja y que seria
despreciable (como el LMC660) pero el costo de estos es mucho mas elevado, y deben ser
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 62
pedidos especialmente a importadores. Por esta razón se usara este amplificador, tratando
mantener la temperatura mas cerca de los 25ºC que de lo 70ºC.
10.5 Circuito Analógico Final:
Luego de varias modificaciones realizadas por diversos motivos como el ruido o valores de
resistencia. El circuito acondicionador de la señal queda finalmente como el que se muestra
en la figura 10.7.
10.6 Errores estimados:
Los errores estimados entre la corriente que ingresa y la tensión que debería salir, de
acuerdo al factor de conversión teórico, no es de gran importancia. Porque estos errores
pueden ser desafectados midiendo el factor de conversión real que se posee en cada escala, y
luego quitando la diferencia entre el valor teórico de la escala y el real.
Pueden existir otros factores de error:
Dos de los factores que introducen error son: La variación del valor resistivo con la
temperatura y la variación de la ganancia del amplificador operacional durante la medición.
El error que se produce en el valor resistivo por el cambio de la temperatura sigue la
regla lineal 10.1.
R (T) = R0 ( 1 - α (T – T0)) [10.1]
Mientras que la variación de la ganancia en el amplificador operacional sigue una
regla no lineal y puede no depender solamente de la temperatura, por desgracia el fabricante
no especifica estos datos de forma precisa.
Si fuera necesario evitar los errores por la variación de la temperatura sería necesario
colocar al equipo en un ambiente de temperatura controlada, donde no se permitan
variaciones de temperatura, y si las hubiese estas tendrán que ser registradas y se deben
contar con los factores de conversión correspondientes a cada temperatura. Y puedan ser
desafectados al final de la medición.
Debido a que no se cuenta con la expresión del error en el amplificador operacional,
se opto por medir el factor de conversión en cada ganancia y medir el error máximo que se
tiene en todo el rango de cada ganancia.
10.7 Fuentes de tensión de la etapa analógica:
En la etapa de adaptación de señal o etapa analógica, el consumo de energía no fue
una característica que se tuvo en cuenta a la hora de desarrollar la idea del conversor
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 63
corriente tensión ya que esta etapa no consume demasiados recursos energéticos, por lo que
la fuente de tensión que se requiere es simplemente una fuente de tensión regulada como la
que se muestra en la figura 10.8.
Figura 10.8 Fuente de tensión con reguladores 7809 y 7909
Esta consta de dos reguladores de 9V, uno para tensiones positivas (7809) y otro para
tensiones negativas (7909), la tensión de entrada en estos reguladores proviene de un
transformador, rectificado y un filtro capacitivo, la tensión que sale de este conjunto es de
aproximadamente 12V. Con lo que la potencia disipada en los reguladores se puede estimar
con la expresión 10.2
[10.2]
Donde: Pd es la potencia disipada
UC es la tensión de caída en el regulador
IC es la corriente que circula a través del regulador
La corriente IC no es considerable, teniendo en cuenta que sólo está conectado el
amplificador operacional en el circuito de conversión corriente-tensión, podemos considerar
un valor estimado en 10 mA, con lo que la expresión 10.2 queda de la forma que se muestra
en 10.3:
[10.3]
Esta potencia es soportada de forma eficiente por los reguladores, por lo que el
circuito no requiere de elementos adicionales y termina siendo como el que muestra la figura
10.9.
CCd xIUP =
( ) mWmAxPd 3010912 =−=
Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 64
Figura 10.9 Circuito esquemático de la fuente de tensión regulada de +/- 9V
El transformador es un transformador de 220V a 9V eficaces, lo que nos da una
tensión continua de aproximadamente 12V.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 65
Fuente de tensión
U-
Circuito de cambio de ganancias
Celda
Llave de carga o medición
U
Operaciones lógicas y puertos
de E/S
Conversores A/D
PUERTOS DE E/S
UART
Microcontrolador PIC 16F877
Comunicación Serial
PC
Delphi
Capítulo 11
Desarrollo práctico del módulo Digital
El siguiente capitulo se desarrolla el modulo digital descrito en el capitulo 9. Este
modulo comprende la digitalización de la señal, el control global del equipo y las
comunicaciones con la PC. Se dan detalles de la forma constructiva y de los esquemas de
conexión utilizados, así como también las justificaciones que se creen necesarias.
11.1 Esquema Digital:
Este módulo es el encargado de cuantizar la señal para convertirla a digital. Una vez
convertida la señal de entrada, debe transmitir el dato a la PC, verificar el valor de la señal y si
es necesario, realizar un cambio de ganancia en el sistema analógico.
Para realizar este modulo se recurrió al uso de un microcontrolador PIC16F877A de la
marca MICROCHIP. El esquema de este circuito de adquisición y control es el que se muestra
en la figura 11.1.
Figura 11.1 Esquema de adquisición control.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 66
Una de las características principales de este módulo es el tiempo en que están
espaciadas las conversiones analógicas a digital.
Como ya se menciono las muestras se toman cada 1 segundo, y para mayor
simplicidad al momento de configurar el equipo, este intervalo es fijo, sin posibilidad de
modificación.
En el circuito esquemático de la parte de adquisición y control es el que muestra la
figura 11.9. La adquisición A/D se hace a través del puerto analógico AN1.
La conversión A/D se realiza con una tensión de referencia regulable conectada en los
bornes +VREF y -VREF estos están conectados a una fuente de tensión, que en un principio,
puede ser de 5V, con lo que queda una sensibilidad de 5mV por división, aproximadamente.
También se tendría la posibilidad de cambiarla, por ejemplo, a 3V con una sensibilidad de
aproximadamente 3mV.
El control de los factores de conversión se hace a través de los pines RB1 al RB5, estos
conmutan a los reed relé conectados en paralelo a las resistencias encargadas de establecer los
factores de conversión. Este factor aumenta cuando se abre una llave, eliminando el
cortocircuito de la resistencia correspondiente. De esta forma se puede obtener el factor de
conversión deseado.
El puerto RE1 es el encargado de actuar sobre la llave que conmuta entre la carga o la
medición de la celda.
11.2 Modo de programación
La primera versión del firmware del microcontrolador se ha desarrollado en lenguaje
Assembler. Este es de muy bajo nivel por lo que hay que conocer todos y cada uno de los
registros que se van a utilizar, el banco de memoria en el que se encuentran y en el caso de
una instrucción de salto se debe tener en cuenta la página de la memoria en la que se encuentra
la dirección destino.
El entorno de programación para el desarrollo es el provisto por la firma Microchip y
es posible utilizarlo tanto para la programación como para la simulación de sus
microcontroladores, se trata del MPLAB, en su versión 7.31 que se muestra en la figura 11.2.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 67
Figura 11.2 Entorno de desarrollo MPLAB
Los periféricos del microcontrolador usados son los de conversión analógico/digital,
temporizadores (timers), comparadores de tiempo y los registros para el manejo de
interrupciones.
Un resumen de estos registros y la función que cumple cada bit se puede encontrar en
las hojas de datos del microcontrolador, estos son parte de la hoja de datos del
microcontrolador. Estos registros son fundamentales para que el programa funcione de forma
correcta.
El código en Assembler sigue el diagrama de flujos general que se muestra en la figura
11.3
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 68
Carga o mide?
Inicializa todos los
perifericos y
variables del
sistema
Inicio
Esta cargando
actualmente?
- Adquiere cuatro muestras
con el conversor A/D, 1
muestra cada 250 ms
- Envia el promedio de las
muestras a la PC
Pone a la celda a
cargar
Es Necesario un cambio
de ganancia?Coloca la
ganancia
correspondiente
Mide
NO
Carga
Si
SI
NO
Figura 11.3 Diagrama de flujos general del código en Assembler
En cada muestra que se toma hay, en realidad, cuatro muestras distribuidas a lo largo
del segundo (una muestra cada 250 ms), que luego son promediadas y finalmente queda el
valor que se envía a la computadora cada segundo.
Los datos que son enviados a la computadora cada segundo. Los datos corresponden al
valor de las 4 muestras promediadas y el correspondiente valor de ganancia, con la cual fue
tomada la muestra.
El control de las ganancias se realiza comparando el valor promediado final con dos
umbrales, uno superior y otro inferior. Si el valor comparado es menor que el umbral inferior
se corresponde con un aumento en el factor de conversión, si es superior al umbral superior,
corresponde lógicamente con una disminución del mismo.
Con el primer prototipo se observaron problemas de ruido, si bien no muy graves (no
superaban los 20mV de ruido), en factores altos (mayores al factor 3) la gráfica obtenida al
final del proceso no resultaba del todo satisfactoria. Para mejorarla fue necesario un
promediado de 5 muestras, con lo que el resultado final resultaba aceptable.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 69
Para mejorar esta situación, se optó por tomar un mayor número de muestras
analógicas que permitieran, mediante un promedio, mitigar las variaciones que se producen en
la señal analógica. De esta forma, los valores entregados a la PC darán como resultado una
gráfica con menos variaciones.
Debido a que tomar un mayor número de muestras y promediarlo requiere un trabajo
matemático de mayor complejidad en cuanto a la programación, y teniendo en cuenta que el
programa fue escrito en lenguaje assembler, se eligió cambiar el leguaje de programación por
uno de mayor nivel que permitiera reescribir todo el código de forma simple y tuviera
incorporadas las funciones matemáticas necesarias
11.3 Lenguajes de alto nivel para microcontroladores PIC
Existen varios lenguajes de programación en alto nivel para microcontroladores PIC,
se analizaron algunos de ellos y dos de los que se destacaron fueron los que se detallan a
continuación.
- PCWHD
- PICC
11.3.1 PCWHD Compiler
Este lenguaje fue creado por la firma CCS. Es un traductor de un lenguaje muy similar
al C, a código hexadecimal de microcontroladores PIC. Las características principales del
lenguaje se pueden destacar algunas que refieren a sus funciones específicas de muy alto
nivel, por ejemplo:
Para configurar el conversor A/D se utiliza sólo una función, al igual que para leer un
canal analógico, configurar los puertos de entrada salida, leer un puerto de entrada o escribir
un puerto de salida.
Que toda la programación sea con funciones genera algunas complicaciones, esto se
debe a que muchas funciones realizan cosas que son realmente simples, y que no requieren
más de una instrucción de código assembler, y al ser puesto como función obliga a recordarla
y a la vez recordar su sintaxis.
11.3.2 PICC
Lenguaje de programación C para microcontroladores PIC desarrollado por la firma
HI-TECH, convierte de un lenguaje similar al lenguaje C de kernigan richie, en código
hexadecimal de microcontroladores PIC. Este lenguaje de programación, si bien es de alto
nivel comparado con el assembler, es un lenguaje de un nivel inferior al PCWHD en 11.6.1.
Esto se debe a que los registros del microcontrolador se trabajan como variables del código
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 70
que se escribe. Para realizar una configuración de un periférico es necesario, al igual que en
assembler, escribir uno por uno los registros de los periféricos que se desean configurar, si
bien puede escribirse una función para tal fin, esta no viene con el compilador.
Por otro lado, que los registros sean variables simplifica todas las operaciones
relacionadas con la lectura y escritura de bytes y bits del programa escrito. El lenguaje permite
preguntar por el estado lógico de una entrada o una salida en sólo una instrucción, como si se
tratara de una variable más del programa.
El compilador PICC resulta más intuitivo de usar que el PCWHD, esto se debe a que al
ser de nivel más bajo, las operaciones simples se vuelven aún más simples, mientras que en un
lenguaje de alto nivel, las operaciones simples dejan de serlo y requieren funciones extra para
poder realizarlas.
Otro cambio que se debe realizar al pasar de lenguaje assembler a C es el cambio de
cristal. Esto se debe a que el lenguaje C es un lenguaje de alto nivel y cada instrucción
requiere de más de una instrucción de assembler. Por esta razón, para que un programa escrito
en C tenga un rendimiento similar al de uno escrito en assembler, es necesaria una mayor
velocidad de procesamiento.
11.4 Elección del compilador C
Se eligió utilizar el compilador HI-TECH porque se consideró que su lenguaje
resultaba más simple de utilizar, teniendo en cuenta un criterio personal, ya que con
cualquiera de los programas se puede obtener el mismo resultado.
Para utilizar este compilador no es necesario cambiar de entorno gráfico, sólo se
necesita indicarle al programa MPLAB que se desea compilar con este código, como muestra
la figura 11.4
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 71
Figura 11.4 Cambio de código con el que se compila en MPLAB
El código generado con este lenguaje es más sintético que el generado en lenguaje
assembler y, al mismo tiempo, un código más fácil de comprender.
En el nuevo programa se toman alrededor de 900 muestras dentro del segundo, esto es
cuantitativamente mayor que las 4 muestras que se tomaban en el código de assembler. Esta
cantidad de muestras mitiga el error que se producía con las cuatro muestras originales.
11.5 Comunicación con la PC:
La comunicación con la computadora se realiza mediante una transmisión serie,
conectada en los pines RX (RC7) y TX (RC6) del microcontrolador, conectados a un
convertidor de tensiones. Este es el encargado de convertir la señal TTL de 5 V en una de +/-
12V que va a la PC y la señal de +/-12 V proveniente de la pc en una señal TTL que es
compatible con el microcontrolador.
La velocidad de transmisión se estableció en 9600 bps con un solo bit de comienzo, un
solo bit de parada y sin bit de paridad. También se decidió que sea fijo, evitando, una vez más,
un punto de configuración por parte del usuario.
El esquema de la figura 11.4 muestra las conexiones entre el microcontrolador, el
conversor de tensiones max232, y la computadora.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 72
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Byte menos significativo
2 bits más significativo
Ganancia
Figura 11.4 Conexión del microcontrolador con la Computadora
En un primer prototipo escrito en lenguaje assembler, para realizar la transmisión se
armó un protocolo especial con los bits, de tal manera que en 2 bytes se enviaba toda la
información, de 10 bits de la conversión A/D, más 3 bits que indicaban el estado del factor de
conversión.
La posición de cada bit en el protocolo era el que se muestra en la figura 11.5
Figura 11.5 Protocolo de transmisión a la PC
En el programa escrito en lenguaje C se cambió este tipo de protocolo y se decidió
convertir todos los valores a su correspondiente valor en ASCHII. Esto aumenta el número de
bytes a transmitir, pero al ser la velocidad de transmisión de 9600 bps el tiempo que demoran
en llegar a la computadora no es un valor significativo.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 73
11.6 Fuentes de tensión para el módulo digital:
El modulo digital tiene una mayor circulación de corriente que el módulo analógico,
esto se debe a los cinco relés que pueden ser excitados en simultáneo, con un consumo
individual (de corriente) de aproximadamente 15mA, el microcontrolador con un consumo de
20mA máximos) con un cristal de 20 MHz y el conversor A/D funcionando, se puede
considerar también al conversor de tensiones max232, con un consumo aproximado de 5mA,
con todos los elementos, el consumo del circuito no llega a los 500mA. Con estas
consideraciones podemos decir que con un regulador de tensiones serie del tipo LM7805 no
van a existir problemas. El conexionado de este regulador es el que se muestra en la figura
11.6
Figura 11.6 Regulador de tensión serie
Como se mencionó en 11.1 se hará uso de una fuente de tensión regulada como
referencia. Para esto, se pensó, en un primer momento y a modo de evaluación, usar un
regulador del tipo LM317, con el que se puede regular la tensión de salida. Si bien este tipo de
regulador no esta compensado en temperatura, para un primer prototipo es adecuado, ya que
es muy simple de montar, como se puede ver en la figura 11.8.
En cualquier caso, si se generan grandes variaciones en la tensión de referencia se
deberá pensar en un regulador con compensaciones en temperatura.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 74
Figura 11.8 Fuente de tensión regulable
11.7 Construcción
Una vez decididos todos los circuitos esquemáticos parciales, se armó el circuito
esquemático final, que es el que muestra la figura 11.9.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 75
Fig
ura
11.
9 C
ircu
ito
esqu
emát
ico
fina
l
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 76
A partir del circuito esquemático final se trabajó en el programa EAGLE, de la
empresa Cadsoft, en su versión 4.16, para realizar el diseño del circuito impreso que muestra
la figura 11.10.
Figura 11.10 Circuito Impreso
Este circuito se hizo realizar, se montaron los componentes y para terminar se monto
en el gabinete como muestra la figura 11.11.
Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 77
Figura 11.11 Placa construida
Capitulo 12 Programación del Software 78
Capítulo 12
Programación del software
El presente capitulo describe el desarrollo práctico del software realizado para recibir las
señales del equipo y dar interacción con el usuario. Por el tamaño y la complejidad del software
solo se describirán los aspectos más relevantes del desarrollo.
12.1 Introducción
Para construir el software de la computadora se decidió usar el lenguaje Delphi, este
lenguaje es muy simple de utilizar y rápidamente podemos llegar a un programa ejecutable en un
entorno Windows.
12.2 Programación con Delphi
La programación con Delphi es muy similar a C con algunas variaciones: Las variables se
declaran de forma ordenada y al comienzo de cada función, esto hace de este código un código
muy ordenado y legible.
Para igualar una variable a un número u otra variable se usa la sentencia:
Variable_1:=5; Variable_1:= Variable_2;
Se usan puntos y comas al final de cada instrucción al igual que en C.
El entorno de usuario es intuitivo. Colocar un botón o un cuadro de texto consiste,
simplemente, en arrastrarlo y dibujarlo en el “form”, como se ve en la figura 12.1.
Capitulo 12 Programación del Software 79
Figura 12.1 Entorno de programación
Un programa desarrollado en Delphi trabaja por eventos, es decir, que cada objeto que se
coloca en el “form” tiene asignados ciertos eventos a los que este responde; también se las puede
llamar interacciones con el usuario. La forma de atender a los eventos es ejecutar un
procedimiento.
En este tipo de programa no se realiza un diagrama de flujos, si bien puede realizarse para
cada función que lo compone, no para el global del programa. Esto se debe a que las funciones no
se ejecutan una a continuación de la otra, sino que se ejecutan a pedido del usuario o elementos
externos como, por ejemplo, la entrada de datos por el puerto serie.
En la figura 12.2 se coloca, a modo de ejemplo, un cuadro de texto o “memo box” y se le
puede asignar una función específica al evento “OnClick”. Así como también se le puede asignar
una función a este evento se le puede asignar la misma función, o una distinta, a otra interacción
con el usuario que pueda ocurrir, como un doble clic, o cambio, etc.
Capitulo 12 Programación del Software 80
Figura 12.2 Eventos de un memo box
12.2.1 Barra de menús
Para comenzar con el programa primero colocamos el sistema de menús Tmenu como se
muestra en la figura 12.3
Figura 12.3 Tmenu
Capitulo 12 Programación del Software 81
Esta es la barra donde se colocan, por lo general, los menús archivo, edición, ver, etc. En
este caso los menús van a ser: Archivo, configuración, Operaciones y ayuda. Como se ve en la
figura 12.4. Una vez colocados estos menús se le asigna a cada uno la función que le
corresponde.
Figura 12.4 Tmenu terminado
12.2.2 Barra de estado
La barra de estado le permite a un programa brindar información al usuario sobre
configuraciones con las que está trabajando el equipo, o el programa.
Para colocar la barra de estado seleccionamos la herramienta adecuada y la barra
simplemente se acomodará en la posición que se ve en la figura 12.5
Capitulo 12 Programación del Software 82
Figura 12.5 Barra de estado
A esta barra se le asigna un nombre, que a su vez es el nombre de un arreglo de datos de
tipo texto y por cada campo del arreglo se crean campos como muestra la figura 12.5. Para
mostrar distintos valores se le asigna el texto, que se desea mostrar, a cada variable del arreglo
deseado, y este texto aparecerá en la barra en tiempo de ejecución del programa.
En la figura 12.6 se muestra el fragmento de código mientras que en la figura 12.7 se
muestra cómo aparece en la barra de estados.
Capitulo 12 Programación del Software 83
Figura 12.6 Asignación de valores a la barra de estados
Figura 12.7 Barra de estado con los valores asignados
12.2.3 Cuadro de gráfico “Teechart”
Para la creación del gráfico se usó un objeto diseñado por la empresa Stema Software, el
objeto se llama “Teechart” y viene para distintos programas como Microsoft Visual Basic,
Microsoft office, Eclipse (Entorno integrado de programación para lenguaje Java). Pero en el
caso de Delphi la aplicacion viene instalada por defecto con el software, a diferencia de los otros
programas.
El primer paso es dibujarlo sobre el “form”, para esto se selecciona la herramienta
“Teechart” y luego le da el tamaño deseado en el “form”. Como se muestra en la figura 12.8
procedure mostrarSetings();
begin
// Puerto
DeoVel.sb.Panels[0].Text := ' COM' +
inttostr(DeoVel.mscomm1.CommPort) ;
// Seteos de velocidad, paridad, cantidad de bits, bits de
parada
DeoVel.sb.Panels[1].Text := ' Configuración: ' +
DeoVel.mscomm1.Settings;
// RTS
if ( DeoVel.MSComm1.RTSEnable ) then
DeoVel.sb.Panels[2].Text := ' RTS: ' + '1'
else
DeoVel.sb.Panels[2].Text := ' RTS: ' + '0';
// DTR
if ( DeoVel.MSComm1.DTREnable ) then
DeoVel.sb.Panels[3].Text := ' DTR: ' + '1'
else
DeoVel.sb.Panels[3].Text := ' DTR: ' + '0';
end;
Capitulo 12 Programación del Software 84
Figura 12.8 TeeChart
Una vez hecho esto, se editan las propiedades. Para que resulte sencillo apretamos con el
botón derecho sobre el gráfico y accedemos a ellas. En las propiedades se puede editar el tipo de
gráfico, en este caso de líneas, la cantidad de líneas con las que se grafica, su color, las reglas, el
color de fondo etc. Esto se muestra en la figura 12.9
Capitulo 12 Programación del Software 85
cant_col_serie := 15;
for i := 1 to (cant_col_serie + 1) do begin
series1.add(0, ''timetostr(time), clred); end;
Figura 12.9 Configuración del TeeChart
Una vez configurado el gráfico es necesario colocarle los valores iniciales, para fijar la
cantidad de puntos que va a mostrar por pantalla. Se decidió, con un criterio puramente estético
para que resulte agradable a la vista, 15 valores por pantalla. Esta configuración se realiza cuando
se inicia el programa con el siguiente código.
Una posibilidad para ingresar cada valor desde cualquier procedimiento consiste en:
colocar en el “form” un campo de texto, donde luego se escribirán los valores de cada dato a
graficar, y también un botón que tenga como evento graficar el valor colocado en el campo de
texto. Como se muestra en la figura 12.10
Capitulo 12 Programación del Software 86
Figura 12.10 Botón y Campo de texto.
Luego, desde cualquier procedimiento se puede agregar un valor a la gráfica, en este caso
una forma de hacerlo sería como muestra el siguiente código.
if ((strtoint(edt_valor_grafica.text)>=0) and
strtoint(edt_valor_grafica.text) <= 1024)and
(strtoint(edt_valor_grafica_2.text) >= 0) and
(strtoint(edt_valor_grafica_2.text) <= 1024)) then
btn_graficarEntrada.Click;
Primero, se analiza si los valores a graficar están dentro de los parámetros correctos y
luego se grafica.
Para terminar, al cuadro de texto y al botón se les da la propiedad de invisibles, como se
muestra en la figura 12.11, por lo que en el momento de ejecución estos no se ven, como lo
podemos corroborar en la figura 12.12
Capitulo 12 Programación del Software 87
Figura 12.11 Asignación de invisibilidad al Botón y al campo de texto.
Figura 12.12 Comprobación de invisibilidad del botón y el campo de texto en tiempo de ejecución.
Capitulo 12 Programación del Software 88
12.2.4 Comunicación serie
La comunicación serie se establece a partir del objeto “Tcomm”, una vez colocado este
objeto, como se muestra en la figura 12.16.
Figura 12.13 Comunicaciones.
Para configurar este objeto se le deben colocar las propiedades inherentes al puerto serie,
es decir: velocidad de transmisión, cantidad de bits de parada, si lleva o no bit de paridad - en el
caso de que lleve, si este significa par o impar -, entre las mas importantes. Un detalle a tener en
cuenta es que estas configuraciones deben poder modificarse en caso de que se decida cambiar la
configuración del microcontrolador. Para que esta configuración sea modificable en tiempo de
ejecución, es necesario crear un menú al que pueda accederse. Para esto se crea un nuevo “form”,
con las configuraciones que se desean modificar, como muestra la figura 12.14 y 12.15
Capitulo 12 Programación del Software 89
Figura 12.14 Configuración de comunicaciones.
Figura 12.15 Comunicaciones.
Este “form” tiene una unidad de programa asociada donde puede escribirse el código con
el que va a trabajar y es la que va a procesar todo lo referido a este “form”, como controlar los
botones, guardar todas las configuraciones en un archivo etc. Las configuraciones se guardan en
un archivo de texto para luego, cuando se abra nuevamente el programa, este archivo sea el que
establezca como serán las configuraciones iniciales del puerto serie.
Por otra parte, para que este “form” sea accesible desde la pantalla principal es necesario
agregar algunas líneas de código, en el programa principal, que lo llamen. Las instrucciones que
hacen la llamada son las que se muestran a continuación.
Capitulo 12 Programación del Software 90
procedure TDeoVel.Puertos1Click(Sender: TObject);
var
frm_configuracion: Tfrm_configuracion;
begin
frm_configuracion := Tfrm_configuracion.Create(self);
frm_configuracion.ShowModal;
if ( mscomm1.PortOpen ) then
mscomm1.PortOpen := false;
shp_abierto.Pen.Color := clGray;
Se setean las propiedades del control ocx de puertos despues
de salir del form de configuracion
with mscomm1 do begin
CommPort := PUERTO_COM;
Settings := CONFIGURACION;
mscomm1.RTSEnable := RTS;
mscomm1.DTREnable := DTR;
end;
mostrarSetings();
frm_configuracion.Free;
end;
Para poder abrir la configuración del puerto serie se creó en el menú comunicaciones un
acceso llamado “configuración”, a este se le asoció el evento encargado de abrir el menú, como
se muestra en la figura 12.16.
Capitulo 12 Programación del Software 91
Figura 12.16 Apertura del menú configuración de comunicaciones.
12.2.5 Recepción de datos
Para recibir los datos del equipo es necesario trabajar con el objeto “tmscomm” que
permite la recepción y transmisión de datos mediante el puerto serie.
En primer lugar, se estableció como evento en el objeto “tmscomm” el procedimiento que
recibe los datos desde el adquisidor, como muestra la figura 12.17. Como este evento, es uno
solo, esta compuesto, además, por una variable (OnComm) en la que el sistema operativo nos
informa a que se debe el evento “tmscomm”, este se puede deber a muchas posibilidades como se
muestran en la tabla 12.1:
Capitulo 12 Programación del Software 92
Figura 12.17 Evento de recepción de datos.
Constantes OnComm Constante Valor Descripción
comEvSend 1 Evento Send. comEvReceive 2 Evento Receive.
comEvCTS 3 Cambio en la línea Preparado para enviar (CTS). comEvDSR 4 Cambio en la línea Equipo de datos preparado (DSR). comEvCD 5 Cambio en la línea Detección de portadora (CD).
comEvRing 6 Detección de llamada. comEvEOF 7 Fin de archivo.
Constantes de errores Constante Valor Descripción
comEventBreak 1001 Recibida señal de interrupción comEventCTSTO 1002 Tiempo de espera de Preparado para enviar comEventDSRTO 1003 Tiempo de espera de Equipo de datos preparado comEventFrame 1004 Error de trama
comEventOverrun 1006 Pérdida de información en puerto comEventCDTO 1007 Tiempo de espera de Detección de portadora comEventRxOver 1008 Desbordamiento del búfer de recepción comEventRxParity 1009 Error de paridad comEventTxFull 1010 Búfer de transmisión lleno
comEventDCB 1011
Error inesperado al recuperar Bloque de control de dispositivos (DCB) para el puerto
Tabla 12.1 posibles causas de llamadas del evento TMscomm
Capitulo 12 Programación del Software 93
Es posible utilizar en este caso la instrucción, “select case”, que posiciona el flujo del
programa en el lugar que corresponde de acuerdo a cada constante, la más importante de estas
constantes es “on_recive”, en esta, el sistema operativo nos indica que se ha recibido un dato por
el puerto, en la parte del programa apuntada por esta constante vaciamos el buffer del puerto y
luego procesamos los datos. Para procesar los datos el código escrito sigue el diagrama de flujo
que muestra la figura 12.18.
Figura 12.18 Diagrama de flujo de la recepción de datos.
Una vez escrito el código, este se encarga de recibir, almacenar y graficar los valores que
lleguen al puerto serie provenientes del adquisidor.
Capitulo 12 Programación del Software 94
12.2.6 Transmisión de datos al adquisidor
El objeto “tmscomm” da también, la posibilidad de transmitir datos desde la PC al
adquisidor. Esto hace posible la transmisión de algunas configuraciones básicas (carga/medición,
ganancia) desde la PC al adquisidor.
Para transmitir datos al adquisidor de forma ordenada resultó necesario plantear
modificaciones en el código que recibe los datos del equipo, para que, una vez recibido el dato, se
transmita la información deseada. Es posible realizar la modificación sólo agregando las
instrucciones que permiten la transmisión al final del código de recepción, como se plantea en el
diagrama de flujo que muestra la figura 12.19
Figura 12.19 diagrama de flujo de transmisión.
Para establecer los datos que se van a enviar al equipo es necesario hacer un nuevo form,
como el que se muestra en la figura 12.20, con los datos que se desean enviar al adquisidor.
El orden de los datos está compuesto por tres bytes: el primero, dice si el equipo carga la
celda o la mide; el segundo, dice qué ganancia debe tener; y, el tercero, da la ganancia del modo
como se debe colocar en el registro de entrada salida del microcontrolador. Este último byte es
simplemente para facilitar la tarea del microcontrolador y que no se necesite una nueva rutina que
decodifique el dato de la ganancia
Capitulo 12 Programación del Software 95
Figura 12.20 Datos a enviar.
Los datos se pueden indicar fácilmente en el formulario de la figura 1.20 y este se encarga
de interactuar con la transmisión que se realizará luego.
La información se envía, de forma ordenada, una vez que se recibió el último dato, según
el diagrama de flujo de la figura 12.19.
12.2.7 Agenda
En muchas ocasiones, en un experimento es necesario realizar varias veces una medición.
Para esto se establecen horarios en que se pone a cargar la celda y horarios en los que se la pone a
medir.
Para este tipo de actividades se creó una herramienta que permite una automatización de
mayor profundidad, que permite automatizar las tareas de carga y medición.
La agenda permite al investigador planificar la actividad que desea que se haga, en cuanto
a carga y medición de la celda con glucosa.
Permitir que el programa se encargue de la carga y medición de forma automática implica
que durante todo el proceso se encuentre en funcionamiento, con el consiguiente consumo de
memoria que le genera al sistema operativo. Es necesario tener en cuenta que la computadora le
otorga a un programa en ejecución una cierta cantidad de memoria volátil, una vez que se excede
el límite de la memoria otorgada, el sistema operativo se encarga de que el programa sea tomado
como un problema y sea cerrado.
Para que la agenda sea una herramienta confiable es necesario evitar este problema. Para
lograrlo se tiene que liberar la memoria volátil que usa el programa de alguna forma. Existen
formas de liberar memoria volátil que son de alta complejidad y escapan a los conocimientos que
se tienen sobre la programación con Delphi.
Capitulo 12 Programación del Software 96
Una forma sencilla de realizar esto consiste en abrir y cerrar el programa cada cierto
tiempo, con lo que se libera el espacio de memoria volátil. El inconveniente que presenta este tipo
de acción es que se pierden registros volátiles de la gráfica, es decir, no se podrán ver valores
pasados en la gráfica del programa y se tendrá que recurrir exclusivamente al registro generado.
Al considerar el problema junto con la herramienta agenda, es factible colocar una opción
que permita reiniciar el programa dentro de la agenda, de esta forma cuando se plantea el
experimento este evento es tenido en cuenta y permite una fácil solución al problema del
consumo de recursos informáticos.
Para crear la agenda se usa un nuevo “from”, en el que se coloca un cuadro del tipo tabla,
donde se van a colocar todos los parámetros que se desean tener en cuenta para la realización del
experimento, un reloj con la hora actual y la fecha del día, y un calendario.
En la agenda deben llenarse los campos con la fecha y la hora a la que se tiene que
producir el evento correspondiente, cuál es el evento (medición o carga de la celda), factor de
conversión del conversor corriente tensión, y si se desea que se reinicie el programa o no. Como
se ve en la figura 12.21.
Figura 12.21 Agenda.
Capitulo 12 Programación del Software 97
var
Mango:integer;
begin
Mango:=FindWindow('tdeovel',nil);
if mango=0
then ShowMessage('No se encontro la aplicacion')
else SendMessage(Mango,WM_CLOSE,0,0);
WinExec(PChar('Rs232vm5.exe'),SW_SHOWNORMAL); end.
if reinicia then
begin
reinicia:=false;
MSComm1.PortOpen := false;
shp_abierto.Pen.Color := clGray;
label4.caption:='Puerto Cerrado';
WinExec(PChar('satelite.exe'),SW_SHOWNORMAL); end;
12.2.8 Reinicio del Programa
En la herramienta agenda se decidió que el programa se reinicie de forma automática.
Hacer esto desde un mismo programa escapa a los conocimientos adquiridos en lenguaje Delphi.
Se encontró que una forma simple de resolver el problema es abrir un segundo programa, llamar
al fin del primer programa, que el programa abierto en segunda instancia invoque una apertura
del primer programa y proceda a cerrarse. Con esto queda abierto sólo el primer programa como
si este se hubiera reiniciado solo.
Este tipo de código requiere de llamadas al sistema, estas llamadas son instrucciones que
otorga el sistema operativo para que los programas puedan interactuar con este, como:
WinExec(PChar('satelite.exe'),SW_SHOWNORMAL);
Esta ejecución se realiza una vez que terminan de enviarse los datos al adquisidor, y se
hace previa verificación de un bit que se seteó anteriormente en el sub-menú agenda. El código es
sencillamente:
El programa denominado segundo programa, se creó con el nombre satélite, y cumple la
función descripta anteriormente se hace con el código.
Este programa no lleva interfaz gráfica, por lo tanto, el usuario no percibe su ejecución,
sólo verifica que el programa principal se reinició.
Capitulo 13 Ajustes Finales 98
Fuente de tensión Conocida
Resistencia Patron
AdquisidorA
Capítulo 13
Ajustes Finales
El Siguiente capitulo describe la puesta en marcha del equipo, algunas pruebas y ajustes
para dar fin al equipo y entregarlo a quienes se encargaran de realizar las mediciones
correspondientes.
13.1 Puesta a punto del circuito de Adquisición:
La puesta a punto del adquisidor se realizó conectando el adquisidor a una fuente de
corriente conocida, es decir, se ingresó una corriente conocida en cada factor de conversión y se
procedió a calcular el valor de cada uno de estos factores.
Es posible implementar una fuente de corriente utilizando una fuente de tensión y una
resistencia de un valor elevado (por lo menos 100 veces la resistencia de carga que se conectará a
la fuente) conectada en serie. A esto se le conecta, también en serie, la entrada del adquisidor
(que tiene una impedancia de entrada muy baja cercana a cero), dando como resultado una fuente
de corriente conectada al adquisidor. Se usaron tensiones de alrededor de 1V y hasta 12
resistencias de 10MΩ conectadas en serie, de acuerdo a la escala a medir.
Una vez ajustado el factor en una escala, se puede recorrer el resto de la escala con
corrientes que se mantengan dentro de los márgenes y verificar que se mantiene constante el
factor de conversión. De no ser así, habrá que controlar qué error se comete y asegurarse de que
no supere el 5% de error. Repitiendo el procedimiento en todas las escalas. El esquema de las
conexiones sería el que muestra la figura 16.1
Figura 16.1 Esquema de ajuste
Para realizar esto se utilizó una fuente de tensión genérica, en la que se puede variar la
tensión en pasos de 0,1V. Una imagen de este procedimiento se muestra en la figura 16.2.
Capitulo 13 Ajustes Finales 99
Figura 16.2 Ajuste
13.2 Prueba general
Para probar la totalidad del sistema se armó un circuito que simula ser una celda de
glucosa, este se construyó con una serie RC que tiene una constante de tiempo de 220 s. Se
muestra en la figura 16.3:
Figura 16.3 Circuito RC
Capitulo 13 Ajustes Finales 100
El diagrama esquemático del circuito que se muestra en la figura 16.3 es el que se muestra
en la 16.4. Este permite cambiar el valor de la constante de tiempo con solo conectar en uno u
otro borne.
Fig. 16.4 Circuito esquemático del circuito de la fig 16.3
El procedimiento de ajuste consiste en aplicar tensión al circuito durante un tiempo de
1100 s., 5 veces la constante de tiempo del circuito. Una vez cargada, se procede a la descarga y
medición del circuito. Se lo deja trabajando durante todas las ganancias del adquisidor; se repite
el procedimiento varias veces programando cargas y mediciones con la programación de la
agenda. La conexión del hardware se muestra en la figura 16.5
Figura 16.5 Hardware conectado
13.3 Medición de la temperatura:
Una vez que comenzaron las mediciones con el adquisidor, los investigadores observaron
que no podían mantener la temperatura de la glucosa constante y, por este motivo, resultaría muy
Borne 1
R4
C1
R5 R3 R2 R1
Bornes de Conexión
Capitulo 13 Ajustes Finales 101
interesante medir la temperatura mientras se mide la corriente. Por esta razón, solicitaron la
construcción de un medidor de temperatura que fuera capaz de detectar variaciones de una
décima de grado, y abarcara desde -50 ºC a 100 ºC, permitiendo detectar fácilmente variaciones
de temperatura de un grado centígrado.
Para el diseño del medidor de temperatura se tuvieron en cuenta algunas consideraciones
tales como, que la temperatura varía en forma lenta, por lo que la velocidad del transductor no es
relevante, y que el lugar para medir la temperatura es accesible, por lo que es posible introducir
una sonda.
Con estas consideraciones se decidió el desarrollo de un medidor de temperatura basado
en una resistencia pt100. Este transductor es un transductor resistivo de la temperatura y posee la
cualidad de ser altamente lineal y estable.
El circuito que se desarrolló es el que muestra la figura 16.6.
Figura 16.6 Esquema eléctrico Sensor de temperatura
Capitulo 13 Ajustes Finales 102
El circuito consiste en hacer que una corriente estable atraviese por el transductor y medir
la tensión que se genere en este. Una vez conocida la tensión, y sabiendo la corriente que circula
por el transductor, se puede derivar el valor resistivo que posee el transductor y con este la
temperatura a la que se encuentra.
El primer amplificador operacional amplifica diez veces la tensión que se genera en el
transductor. De tal forma que cuando el transductor se encuentra a -50ºC la tensión en la salida
del amplificador va a ser de 1,6 V y cuando la temperatura sea de 100ºC, la tensión de salida va a
ser de 2,77 V, estos datos se desprenden de que la corriente que circula por la pt100 es de 2 mA y
valor ohmico que toma el transductor a esas temperaturas.
Hasta aquí, en la salida del primer operacional, tenemos una tensión que varía entre 1.6V
y 2,77V. El segundo operacional es el encargado de restar 1,6V, con lo que tendremos a la salida
0V para -50ºC, y amplificar en un factor de 4,25, para tener una tensión de aproximadamente 5V
cuando la temperatura esté en los 100 ºC.
En la figura 16.7 se pude ver el circuito de la fuente de corriente de 2 mA. El valor de esta
corriente fue elegido de tal forma que se generaran tensiones que fueran compatibles con el
conversor analógico a digital que se utiliza para la medición de la corriente, y que no produjera
un auto calentamiento en la pt100.
Figura 16.7 Circuito eléctrico de la fuente de corriente
Capitulo 13 Ajustes Finales 103
Tensiones vs Temperatura
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
5
-50 0 50 100
Temperatura
Ten
sio
n d
e sa
lida
El resultado de la calibración del medidor de temperatura es el que se muestra en la figura
16.8.
Figura 16.8 Grafico de la tensión de salida del medidor de temperaturas
Una vez completado el medidor de temperatura se modificaron todos los programas, el del
microcontrolador y el software de la PC para que los valores de temperatura convertidos en
tensión sean adquiridos y graficados junto con la corriente.
Anexo I 104
Anexo I
Expresiones útiles en el trabajo con Dieléctricos La relación existente entre el campo eléctrico macroscópico y el vector de
polarización es la siguiente:
[2.3] Donde ε0 es la permitividad dieléctrica del vacío y χ e es la susceptibilidad eléctrica. Por otra parte, se define el vector desplazamiento eléctrico de la forma:
[2.4]
Ahora bien, al sustituir en la expresión [2.4] el valor de la polarización tenemos
la siguiente relación entre el campo externo y el vector desplazamiento:
[2.5] Donde la constante dieléctrica absoluta o permitividad dieléctrica del medio se define mediante la expresión
[2.6]
De modo que, la relación existente entre el vector desplazamiento y el campo eléctrico vendrá dada por:
[2.7]
Supongamos ahora la aplicación de un campo dependiente del tiempo sobre el material dieléctrico. Dicho campo puede expresarse como:
[2.8]
De igual manera, tenemos que el vector desplazamiento correspondiente seguirá la siguiente ecuación:
[2.9] Siendo φ el desfase entre ambos campos.
Por otra parte, al tener en cuenta la expresión [2.7] se deduce la siguiente
relación: [2.10]
Donde ( )ωε *
es la permitividad dieléctrica compleja que depende de la frecuencia:
[2.11] ( )ωε ' y ( )ωε '' representan respectivamente los términos de dispersión y absorción.
Son individualmente funciones dependientes de la frecuencia del campo que se aplica.
EP e
rr••= χε 0
PEDrrr
+•= 0ε
( ) ED e
rr•+•= χε 10
( )eχεε +•= 10
EDrr
•= ε
tjeEE ω•= 0
rr
( )φω +•= tjeDD 0
rr
( ) 0*
0 EeD jrr
•=• ωεφ
( ) ( ) ( )ωεωεωε ''' •−= j
Glosario informático 105
Glosario Informático
Los fuertes conceptos informáticos asociados al capitulo 8 y 12, hizo necesario
anexar al presente informe un glosario de términos y conceptos informáticos, donde se
encuentran las ideas que se consideran relevantes para el fin de este informe.
Pila o “Stack” (6):
Una pila (stack en inglés) es una lista ordinal o estructura de datos en la que el
modo de acceso a sus elementos es de tipo LIFO (del inglés Last In First Out, último en
entrar, primero en salir) que permite almacenar y recuperar datos.
En cada momento, sólo se tiene acceso a la parte superior de la pila, es decir, al
último objeto apilado (denominado TOS, Top of Stack en inglés). La operación retirar
permite la obtención de este elemento, que es retirado de la pila permitiendo el acceso al
siguiente (apilado con anterioridad), que pasa a ser el nuevo TOS.
La pila de llamadas es un segmento de memoria que utiliza esta estructura de
datos para almacenar información sobre las llamadas a subrutinas actualmente en
ejecución en un programa en proceso.
Cada vez que una nueva subrutina es llamada, se apila una nueva entrada con el
punto de retorno al que regresar cuando esta subrutina termine (para volver a la
subrutina anterior y continuar su ejecución después de esta llamada).
Segmentación (7):
La segmentación (en inglés pipelining) es un método por el cual se consigue
aumentar el rendimiento de microprocesadores
Repartir o segmentar equitativamente una instrucción hace que esa frecuencia
sea la óptima a costa de más área para el almacenamiento o registro de los datos
intervinientes y de un retraso o latencia (en ciclos de reloj) en la salida del resultado
equivalente al número de segmentaciones o registros realizados.
La ventaja primordial de este sistema es que, una vez el pipe está lleno, es decir,
después de una latencia de cuatro en la figura 4.2, los resultados de cada comando
vienen uno tras otro cada flanco de reloj y sin latencia extra por estar encadenados
dentro del mismo pipe. Todo esto habiendo maximizado la frecuencia máxima de
trabajo.
Glosario informático 106
Figura 4.2 Detalle de la segmentación de instrucciones.
La segmentación de instrucciones consiste en descomponer la ejecución de cada
instrucción en varias etapas para poder empezar a procesar una instrucción diferente en
cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.
En el caso del procesador DLX podemos encontrar las siguientes etapas en una
instrucción:
IF: búsqueda
ID: decodificación
EX: ejecución de unidad aritmético lógica
MEM: memoria
WB: escritura
Cada una de estas etapas de la instrucción usa en exclusiva un hardware
determinado del procesador, de tal forma que la ejecución de cada una de las etapas en
principio no interfiere en la ejecución del resto.
Glosario informático 107
En el caso de que el procesador no pudiese ejecutar las instrucciones en etapas
segmentadas, la ejecución de la siguiente instrucción sólo se podría llevar a cabo tras la
finalización de la primera. En cambio, en un procesador segmentado, salvo excepciones
de dependencias de datos o uso de unidades funcionales, la siguiente instrucción podría
iniciar su ejecución tras acabar la primera etapa de la instrucción actual.
Compilador (8):
Un compilador es un programa informático que traduce un programa escrito en
un lenguaje de programación a otro lenguaje de programación, generando un programa
equivalente que la máquina será capaz de interpretar. Usualmente, el segundo lenguaje
es código máquina, pero también puede ser simplemente texto. Este proceso de
traducción se conoce como compilación.
Permite traducir el código fuente de un programa en lenguaje de alto nivel, a
otro lenguaje de nivel inferior (típicamente lenguaje máquina). De esta manera, un
programador puede diseñar un programa en un lenguaje mucho más cercano a como
piensa un ser humano, para luego compilarlo a un programa más manejable por una
computadora.
BCPL:
Es la sigla en inglés de Basic Combined Programming Language (Lenguaje de
Programación Básico Combinado). Fue diseñado por Martin Richards de la Universidad
de Cambridge en 1966 debido a las dificultades experimentadas con el lenguaje de
programación CPL durante los años 60. El primer compilador implementado fue escrito
en 1967. El lenguaje fue descrito por primera vez en un proyecto presentado en una
conferencia informática en 1969. Años después, Dennis Ritchie lo utilizó como base
para desarrollar B (que a su vez, más tarde daría lugar al popular lenguaje de
programación C).
Lenguajes de programación: Clasificación de niveles (8):
La clasificación de los niveles de programación viene dada por el nivel de
abstracción que se puede realizar, en el código fuente, desde la máquina que luego
ejecutará este código. Es decir, un nivel bajo sería teniendo en cuenta cada parte del
microprocesador o sistema que ejecute el código, mientras que un nivel mas alto sería
aquel que es independiente del sistema, donde el programador realiza su programa sin
tener en cuenta al sistema o procesador con que se va a ejecutar su código.
Lenguajes de Bajo nivel:
Bajo nivel es el que proporciona poca o ninguna abstracción del
microprocesador de un ordenador. Consecuentemente es fácilmente trasladado a
Glosario informático 108
lenguaje de máquina. Existe una relación de uno a uno con el lenguaje de máquina, lo
que hace posible pasar de un código a otro.
Lenguajes de Nivel Medio:
La existencia de este nivel de programación es discutida por los entendidos en la
materia, pero, si este nivel existiera, definitivamente el lenguaje de programación C se
encontraría en este nivel ya que tiene cierta abstracción del procesador, pero también
tiene instrucciones que pueden considerarse de bajo nivel.
Lenguajes de Alto Nivel:
Los lenguajes de programación de alto nivel se caracterizan por expresar los
algoritmos de una manera adecuada a la capacidad de interpretación humana, en lugar
de a la capacidad ejecutora de las máquinas.
Una limitación de los lenguajes de alto nivel es que se requiere de ciertos
conocimientos de programación para realizar las secuencias de instrucciones lógicas.
Los lenguajes de muy alto nivel se crearon para que el usuario común, sin
conocimiento alguno de programación estructurada o algún otro tipo de programación,
pudiese solucionar el problema del procesamiento de datos de una manera más fácil y
rápida.
BASIC:
Es un lenguaje de programación que originalmente fue desarrollado como una
herramienta de enseñanza. Se diseminó entre los microordenadores hogareños a partir
de la década de 1980, y sigue siendo muy popular hoy en día, en muchos dialectos
bastante distintos del original.
API:
Una API representa una interfaz de comunicación entre componentes software.
Se trata del conjunto de llamadas a ciertas bibliotecas que ofrecen acceso a ciertos
servicios desde los procesos y representa un método para conseguir abstracción en la
programación, generalmente (aunque no necesariamente) entre los niveles o capas
inferiores y los superiores del software. Uno de los principales propósitos de una API
consiste en proporcionar un conjunto de funciones de uso general. Por ejemplo, para
dibujar ventanas o íconos en la pantalla. De esta forma, los programadores se benefician
de las ventajas de la API haciendo uso de su funcionalidad, evitándose el trabajo de
programar todo desde el principio.
Glosario informático 109
PASCAL:
Pascal es un lenguaje de programación desarrollado por el profesor suizo
Niklaus Wirth a finales de los años 60. Su objetivo era crear un lenguaje que facilitara el
aprendizaje de la programación a sus alumnos. Sin embargo, con el tiempo, su
utilización excedió el ámbito académico para convertirse en una herramienta para la
creación de aplicaciones de todo tipo.
Pascal se caracteriza por ser un lenguaje de programación estructurado
fuertemente tipificado. Esto implica que:
1. El código está dividido en porciones fácilmente legibles llamadas
funciones o procedimientos. De esta forma, Pascal facilita la utilización de la
programación estructurada en oposición al antiguo estilo de programación
monolítica.
2. El tipo de datos de todas las variables debe ser declarado previamente
para que su uso quede habilitado.
Objetos:
En el paradigma de programación orientada a objetos, un objeto se define como
la unidad que en tiempo de ejecución realiza las tareas de un programa.
Estos objetos interactúan unos con otros, en contraposición a la visión
tradicional en la cual un programa es una colección de subrutinas (funciones o
procedimientos), o simplemente una lista de instrucciones para el computador. Cada
objeto es capaz de recibir mensajes, procesar datos y enviar mensajes a otros objetos de
manera similar a un servicio.
.NET:
Es un proyecto de Microsoft para crear una nueva plataforma de desarrollo de
software con énfasis en transparencia de redes, con independencia de plataforma de
hardware y que permita un rápido desarrollo de aplicaciones. Basado en ella, la empresa
intenta desarrollar una estrategia horizontal que integre todos sus productos, desde el
sistema operativo hasta las herramientas de mercado.
Conclusiones 110
Conclusiones
La realización de este trabajo me dio la oportunidad de aplicar los conocimientos
adquiridos así como también de aprender a trabajar en un equipo interdisciplinario en la
búsqueda de la solución.
La resolución de la situación planteada fue ardua y laboriosa, se plantearon
muchas formas posibles de obtener los resultados deseados, la selección de algunos
elementos se baso en los conocimientos obtenidos durante mi formación académica,
otras selecciones se hicieron a partir de conocimientos obtenidos fuera del ámbito
académico de la facultad, mientras que otros se tuvieron que adquirir desde cero durante
el desarrollo del trabajo.
Este trabajo me deja muchos conocimientos, desde el punto de vista técnico, ya
que se logro el objetivo deseado de automatizar la medición adquiriendo nuevos
conocimientos en el camino. Desde el punto de vista interdisciplinario, tratando de
comunicar y expresar ideas a profesionales de otras áreas, entender sus planteos y saber
responder a sus inquietudes.
Índice
111
Bibliografía
Libros
[1] “Permitividad y Relajación Dieléctrica. 1 ed”. J. Raul GRIGERA, GRIGERA,
JOSE RAUL, La Plata : Departamento de Biofísica, IMBICE, 1981.
[2] “Sensores y acondicionadores de señal” Ramón Pallas Areny, Marcombo, 2007
[5]“Física de dieléctricos”, J. M. Albella Martín y J. M. Martínez Duart, Marcombo,
(1984).
[6]. “Dielectric Relaxation”, V. Daniel, Academic Press, (1967).
Papers:
[7] “Molecular mobility and ageing of sugar glasess”, J. Raul Grigera, Viviana Bolziocco, Scince Direct -IFLYSIB-UNLP-CONICET-CIC, La Plata
Publicaciones [3] Universidad de Zaragoza departamento de física aplicada teórica. “http://www.unizar.es/” [4] Universidad de Zaragoza departamento de física aplicada. “http://www.unizar.es/”
Apuntes de Clases [8] Campos y Ondas. Profesora Ing. Beatriz BARBIERI [9] Teoría de circuitos II. Profesor Ing. Jorge Luís AGÜERO [10] Control y Servomecanismos. Profesor Dr. Miguel Ángel MAYOSKY [11] Medidas Eléctricas [12] Circuitos Electrónicos I [13] Introducción a los circuitos lógicos y digitales [14] Circuitos digitales y microprocesadores [15] Arquitectura de Computadores I [16] Arquitectura de Computadores II [17] Programación, algoritmos y estructura de datos
Empresas [18] Atmel [19] Freescale Semiconductors [20] Microchip semiconductores
Trabajos Finales [21] “Nuevas Técnicas de Biofeedback para tratamiento de discapacidad y
munusvalía”, C. Lagraña y E. Yedynak. Directores: Ing A. Laquidara e Ing. A.Bava.
Índice
112
Índice
Pág Capítulo 1 1 Introducción a las Mediciones Dieléctricas
1.1 Estudios: 1 1.2 Estudio que se pretende realizar con el equipo 2
Capítulo 2 3 Bases para el estudio de dieléctricos
2.1 Polarización y constante dieléctrica. 3 2.2 Polarización de dieléctricos 3 2.3 Algunas relaciones fundamentales 4 2.4 Fenómenos de relajación dieléctrica: modelo de Debye. 4 2.5 Analogía eléctrica con el modelo de Debye 7 2.6 Diagrama Circular: 9 2.7 Influencia de múltiples tiempos de relajación: 10
Capítulo 3 13 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos
3.1 Análisis general para el estudio de dieléctricos 13 3.2 Estudio de glucosa en estado de vitrificación: 14 3.2.1 Métodos de estudio 15 3.2.1.1 En dominio de la frecuencia: 15 3.2.1.2 En el dominio del tiempo: 15 3.3 Análisis para el desarrollo práctico 16 3.4 Historial del trabajo realizado previamente en el IFLySiB 17
Capítulo 4 20 Análisis de Automatización
4.1 Primera aproximación 20 4.2 Características generales 21
Capítulo 5 23 Análisis de Bloques: La llave
5.1 Llaves de estado sólido: 23 5.2 Relé: 25
Capítulo 6 28 Análisis de Bloque: Circuito de medida
6.1 Rangos: 28 6.2 Posibles circuitos de adaptación de la señal 28 6.2.1 Circuito basado en un opto acoplador: 28 6.2.2 Circuito Basado en la medición del campo magnético generado
por la corriente 30 6.2.3 Convertidor de Corriente tiempo 32 6.2.4 Circuito Convertidor Corriente Tensión 34 6.3 Detalles del adaptador de señal elegido 35 6.3.1 Utilización de un transistor MOSFET 36 6.3.2 Utilización de un reed relé 36 6.4 Conversión de la señal adaptada 38
Capítulo 7 39 Módulo de control
Índice
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7.1 Forma de realizar el control 40 7.2 Elección del microcontrolador 40 7.2.1 Atmel 41 7.2.2 Freescale 41 7.2.3 Microcontroladores de la marca Microchip 42 7.2.4 Elección del microcontrolador 43 7.4 Comunicación con la PC 44
Capítulo 8 45 Software de la PC
8.1 Entorno de programación con lenguaje C 46 8.2 Entorno de programación Visual Basic 46 8.3 Entorno de programación Borlan Delphi 48 8.4 Elección 49
Capítulo 9 50 Resumen de la sección
9.1 Parte Analógica 50 9.2 Parte Digital 51
Capítulo 10 53 Desarrollo práctico del módulo analógico
10.1 El esquema analógico 53 10.1.1 El amplificador operacional 53 10.1.2 Valores de resistencias posibles 54 10.2 Valores de Resistencias en el mercado 55 10.3 Filtros: 58 10.3.1 Filtro Analógico 58 10.4 Impedancia vista desde la entrada 61 10.5 Circuito Analógico Final 62 10.6 Errores estimados 62 10.7 Fuentes de tensión de la etapa analógica 62
Capítulo 11 65 Desarrollo práctico del módulo Digital
11.1 Esquema Digital 65 11.2 Modo de programación 66 11.3 Lenguajes de alto nivel para microcontroladores PIC 69 11.3.1 PCWHD Compiler 69 11.3.2 PICC 69 11.4 Elección del compilador C 70 11.5 Comunicación con la PC 71 11.6 Fuentes de tensión para el módulo digital 73 11.7 Construcción 74
Capítulo 12 78 Programación del software
12.1 Introducción 78 12.2 Programación con Delphi 78 12.2.1 Barra de menús 80 12.2.2 Barra de estado 81 12.2.3 Cuadro de gráfico Tchart 83 12.2.4 Comunicación serie 88 12.2.5 Recepción de datos 91 12.2.6 Transmisión de datos al adquisidor 94 12.2.7 Agenda 95
Índice
114
12.2.8 Reinicio del Programa 97 Capítulo 13 98 Ajustes Finales
13.1 Puesta a punto del circuito de Adquisición 98 13.2 Prueba general 99 13.3 Medición de la temperatura: 100
Anexo I 104 Expresiones útiles en el trabajo con Dieléctricos
Glosario Informático 105 Conclusiones 110 Bibliografía 111