Diseñando la Estación de Soldadura Capítulo 3
En los capítulos anteriores 1 y 2 , se dio inicio del diseño de la estación de soldadura, tanto el uso del display grafico para mostrar el inicio, menú ,temperatura, funciones y el encoder para hacer ajustes de incremento y decremento de los datos requeridos , en este capítulo se abordará la botonera para el encendido y funciones diversas, el cautín en la medición , linealización de la temperatura la cual posterior mente será tomada por el sistema de control y ajustada para la etapa de potencia.
Botonera
La Botonera consta de pulsadores con los cuales se puede encender y apagar la unidad, tanto como para darle cancelar, seleccionar, atrás o adelante dentro del menú que se despliegue en la pantalla, si se está en configuración o lo que se requiera para el manejo del equipo.
Cuando se desarrolló el diseño se pensó en un número indeterminado de botones, es así que para poder realizar el diseño y no dejar pines del microcontrolador desperdiciados con pulsadores que probablemente se usen o no. Se determinó hacer uso de un sistema de botonera diferente a los comúnmente usados, normalmente se usan bien sea un pulsador por pin o teclados de forma matricial para poder economizar pines de contacto en este caso se creó un sistema en el que con un pin se puede conectar hasta 10 botones o más, a continuación, se describe el funcionamiento:
Se utiliza la entrada del el conversor análogo digital del microcontrolador , se conectan los pulsadores a un circuito de resistencias en serie de manera que cada pulsador al oprimirlo generará un divisor de voltaje diverso para cada uno y así por medio del código en el microcontrolador se puede saber según la tensión medida que pulsador se oprimió, para no depender de resistencias de precisión y en los casos reales de aplicación se tomó en cuenta la tolerancia de los resistores , fuente, deterioro normal del pulsador y se determinó que por pin se pueden conectar 10 pulsadores si se desearan más por pin se requeriría resistencias de precisión.
Para determinar el valor del voltaje a medir el punto nombrado key el cual será conectado a la entrada del conversor análogo digital del microcontrolador, el valor de la tención esta dado por:
Donde Rt equivale a la resistencia equivalente a la serie conformada por pulsador oprimido, de manera tal que al no oprimir ninguno o al oprimir uno a uno se obtienen los siguientes voltajes:
El código escrito para la rutina de la botonera se escribió de para configurar el puerto digital análogo el valor leído se convierte a un valor en milivoltios Para calcular el voltaje en mV se toma el valor leído por el conversor y se multiplica por una constante calculada:
Donde Vmax equivale a 5v y se divide por la resolución del conversor que es de 10 bits:
5/1024 = 0,00488 , el valor en mV seria: 5000mV/1024 =4,88mV
Donde 4,88 mV es el valor a multiplicar por el leído en el conversor, para aplicar esto al código y según los tipos de variables asignadas el algoritmo se aprecia en la siguiente ecuación:
Este código se encarga de leer el voltaje y guarda dentro de una variable el botón que detecta oprimido según los valores de la tabla 1 se establecen los rangos de voltaje para detectar cada botón, este se escribe en un Void para usar esta rutina cuando se requiera:
void bot_ones ()
{setup_adc_ports (ALL_ANALOG);
setup_adc (ADC_CLOCK_INTERNAL);
set_adc_channel (4); //habilitacion canal
delay_us (20);
q = read_adc ();
setup_adc_ports (OFF);
key = (q);
voltbot = ( (key * 488) / 100); // convierte el voltaje en mv
IF ((voltbot >= 4523) &&
(voltbot <= 4568) )
{
boton = 0;
}
IF ((voltbot >= 4472) && (voltbot <= 4522) )
{
boton = 9;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 4410) && (voltbot <= 4471) )
{
boton = 8;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 4331) && (voltbot <= 4409) )
{
boton = 7;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 4226) && (voltbot <= 4330) )
{
boton = 6;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 4083) && (voltbot <= 4225) )
{
boton = 5;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 3875) && (voltbot <= 4082) )
{
boton = 4;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 3542) && (voltbot <= 3874) ) // aire
{
boton = 3;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 2917) && (voltbot <= 3541) ) //cautin
{
boton = 2;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 1250) && (voltbot <= 2916) ) //select
{
boton = 1;
delay_ms (700);
}
IF ((voltbot >= 0) && (voltbot <= 1249) ) //power
{
boton = 10;
delay_ms (700);
}
Cautín
La estación consta de dos elementos calefactores comunes actualmente para realizar el
soldado, cautín, y cañón de aire caliente, controlando la temperatura para el cautín y el flujo
del aire y temperatura para la sección de aire caliente, la importancia del control de la
temperatura de la sección de cautín se realiza en lazo cerrado por medio de termocupla
tipo J que se encuentra dentro del mismo cautín la cual se utiliza para realizar el control de la temperatura por medio del sistema microcontrolador y la implementación de la señal para el mismo control, esta termocupla tipo J es una unión de Hierro Constantán la cual genera unos voltajes que van desde los -7.89mv a -220°C hasta 42.83mv a 750 °C, para los fines prácticos y niveles de temperatura usados en este diseño , se tomó el rango de uso desde los 0 °C hasta los 750 grados para usarlo en una tabla y graficar su curva la cual no es lineal lo que indica que hay que linealizarla para poder procesar esta información.
Si bien existen circuitos integrados en el comercio que realizan la función de linealizar ,compensar y amplificar la señal de la termocupla y entregan temperaturas al niveles como 10mv por grado , uno de estos es el AD595 de Analog Devices no se optó por el uso de este circuito por ser de difícil obtención y alto costo, de la información técnica de este dispositivo se obtuvieron las tablas con los valores técnicos de la termocupla tipo J.
Acondicionamiento de la señal
Para acondicionar la señal se usó un amplificador operacional de instrumentación AD620, al cual se le ajusta su ganancia por medio de un reóstato de precisión y la referencia de offset por medio de un seguidor no inversor con ¼ de un LF347 , La ganancia del AO de instrumentación se determinó en 169 para obtener así a 540°C 5v a la salida, teniendo así la temperatura máxima a medir, el valor de Rg para la ganancia del operacional está dada :
Como el valor de Rg no es uno comercial se usa el paralelo de R2 y el reóstato para realizar el ajuste de dicha ganancia para el valor de la referencia que se introduce al AO por el pin 5 , ya que se desea que
este no sea de niveles altos se asegura por medio de los divisores de tensión conformados por R5 y R3, así como R6 y R4 para una tensión de entrada de 12v tenemos:
Con esto se obtiene que la referencia será entre -54mv y 54mv , El ajuste se realiza en el montaje hecho , cortocircuitando los pines de la termocupla y midiendo a la salida del operacional de instrumentación un valor de cero , el Zener 5,1 que se coloca a la salida del operacional es con el fin de proteger la entrada del microcontrolador la cual solo soporta valores de 0 a 5v y al realizar ajustes del circuito o conexión de la termocupla con el circuito encendido podrían presentarse valores negativos en la salida del operacional o valores superiores a los 5v así se limita y protege la entrada el microcontrolador en rangos de los - 0,7v y los 5,1v
El condensador C1 esta para filtrar las señales con periodos inferiores a 10ms como el sistema es de temperatura esta no presentara cambios tan drásticos en periodos menores así se evita el ruido presente en la termocupla por señales o interferencias externas El valor de este se determinó con el cálculo de la resistencia estándar interna de un AO:
El periodo de la señal de corte está dado por:
Esta señal del Operacional de instrumentación se envía al pin 2 del Microcontrolador el cual es la entrada al conversor análogo digital canal cero en este se realiza la conversión a tensión, y se linealiza la señal para obtener así la temperatura.
Hasta acá va el diseño de el hardware del cautín para la toma de la temperatura ya lista esta señal entra al microcontrolador para ser linealizada por software y realizar el control de la potencia , en el próximo capitulo se hará el diseño del sistema de control por PID comparándolo con los sistemas on-off y la etapa de potencia del mismo.
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