Sistema de control de temperatura con LabVIEW y Microcontrolador ATMEL328P Jorge Serrano Reyes Jorge-serrano@ieee.org RESUMEN: Hoy día se han aumentado la cantidad de herramientas digitales disponibles que facilitan el diseño de sistemas de control automático y combinar adecuadamente las bondades de cada herramienta adquiere importancia. En este proyecto se presenta el trabajo conjunto del programa LabVIEW y un microcontrolador Atmel 328p integrado en la arquitectura del proyecto denominado ARDUINO. Se utiliza LabVIEW para generar una rutina que permite el control de temperatura, aprovechado las facilidades de la programación gráfica y al microcontrolador como ejecutor de las acciones beneficiándonos de la programación de alto nivel del editor ARDUINO. Con el objetivo de un control robusto y bajo la consigna de un control proporcional. PALABRAS CLAVE: Control digital, Electrónica de potencia, Microcontrolador, LabVIEW. Este recorte de la onda se realiza para cada semiciclo de la onda de voltaje utilizando un tiristor llamado triac. El triac puede conducir en cualquier dirección una vez que se excede su voltaje de transición conductiva [1]. Para hacer el recorte efectivo de la onda se envía una corriente a la compuerta de triac en el momento oportuno, luego el triac se mantiene en funcionamiento hasta que el voltaje del triac sea menor que su voltaje de transición conductiva [3]. El momento oportuno de funcionamiento se determina con un tren de pulsos sincronizados con el instante en el que la onda de voltaje pasa por cero voltios. En la figura 1 se muestra el circuito utilizado para determinar el cruce por cero. Se muestra un puente de diodos, utilizado normalmente para la rectificación de onda completa pero, en este caso sin el capacitor. VCC 5V 1 INTRODUCCIÓN 10kΩ El proyecto fue construido con la finalidad de resolver un problema práctico que consiste en controlar la temperatura media de un recinto pequeño. Para esta tarea se ha diseñado un sistema que consiste de una cámara cúbica, calentadores con focos incandescentes, un sensor de temperatura y dos abanicos. R2 1kΩ 120 Vrms V2 60 Hz 0° 2 T2 4 Para realizar un mejor control se hace uso de la electrónica de potencia y medios digitales. Las tecnologías utilizadas en el proyecto pueden inspirar otras aplicaciones como por ejemplo: en el control de potencia de AC por ángulo de fase. 2 COMPONENTES DEL SISTEMA 2.1 CONTROLADOR DE POTENCIA POR ANGULO DE FASE AC Para el control de intensidad de focos incandescentes se ha seleccionado una forma que controla la cantidad de potencia suministrada al foco haciendo un recorte de la onda de voltaje del AC. 1 VEE V1 5V 12 V R7 12kΩ D2 R5 1 3 La función de los calentadores será de incrementar la temperatura y la de los abanicos de bajar la temperatura hasta la temperatura ambiente. R1 R4 1kΩ LF353N R3 30kΩ 1kΩ Salida R6 15kΩ V3 -12 V Figura 1. Circuito detector del cruce por cero. El puente de diodos le proporciona al amplificador una onda con el doble de la frecuencia de la red, en este caso para una red de 60 hz, tenemos en el amplificador una onda de 120 hz. El amplificador está en la configuración de comparador. Compara el valor de la onda con un valor muy cercano a cero. El resto del circuito es un conjunto de resistencias que acomodan la salida del amplificador dentro de los rangos digitales de cinco voltios y un valor menor a un voltio. En la figura 2 se muestra el resultado del circuito detector del cruce por cero, medido utilizando una tarjeta de adquisición de datos DAQ 6009 y graficada utilizando LabVIEW [5]. afectada por el resto de las tareas del microcontrolador, como la obtención del nuevo tiempo de disparo. El dispositivo DAQ provee al microcontrolador de una señal analógica proporcional al nuevo tiempo de disparo, medido por la entrada analógica del microcontrolador. 2.2 PROGRAMA LABVIEW DE CONTROL EN LabVIEW es un programa basado en el flujo de dados en lugar de un listado de instrucciones secuenciales [6]. Figura 2. Resultado del detector de cruce por cero. Una vez que se tiene la señal de sincronización esta va hacia un microcontrolador Atmel 328p. El microcontrolador utilizado se encuentra montado una tarjeta llamada Duemilanove, diseñada como open hardware o de arquitectura abierta, por el proyecto ARDUINO. Tiene las ventajas de tener un circuito UART(universal asynchronous receiver/transmitter) que le permite ser conectado al puerto usb y que puede ser colocado directamente en una aplicación. La tarea del microcontrolador, es temporizar la activación del triac según los parámetros dados a través de un voltaje analógico de entrada. El la figura 3 se muestra el diagrama de flujo, que indica el curso de acción del microcontrolador. Además, ofrece una interfaz gráfica con el usuario del programa, configurable según las necesidades para facilitar las tareas de monitoreo y control. Para este proyecto se ha decidido dejar las tareas de análisis y manejo de la ley de control al programa en labVIEW, de esta manera el usuario siempre tendrá la opción de cambiar los parámetros de control sin necesidad de parar y reprogramar el microcontrolador, es decir poder intervenir en el sistema ON LINE. Las características del sistema del sistema de control impuesto son: Control en lazo cerrado y controlador proporcional. La realimentación del sistema viene dada por la medición de temperatura. Bajo la premisa de un sistema de medición de temperatura de bajo costo y una precisión en el rango de medio grado centígrado, se seleccionó el sensor semiconductor LM35. Este sensor es de fácil implementación a un sistema digital debido a su salida previamente calibrada de 10mV/ºC [4]. Para su instalación en el circuito se le ha añadido un filtro RC para disminuir el ruido. El controlador proporcional consiste en una ganancia para hacer la acción proporcional al error medido [2]. La siguiente ecuación describe la acción del control proporcional en función del error de la temperatura: Ysalida K p et (1) Se ha descrito una función lineal para traducir Ysalida en un tiempo de disparo del triac: Tdisparo Tactual Ysalida Figura 3. Diagrama de flujo del programa en el microcontrolador. Se ha dispuesto conectar la señal de detección de cruce por cero como generadora de una interrupción externa. De esta manera la sincronización es menos 2 (2) Donde Tactual, corresponde al tiempo de retardo del cálculo anterior. De esta manera al momento en el que el error sea cero, el tiempo de retardo seguirá siendo el mismo es decir, mantiene el mismo ángulo de disparo. En la figura 4, se muestra la sección del programa en LabVIEW para el cálculo del retardo. Existen otro detalles prácticos que se tomaron en cuenta, por ejemplo cuando el valor del retardo es mayor que el máximo y menor que el mínimo. 3 VENTAJAS DE LA ARQUITECTURA SELECCIONADA El sistema mostrado tiene ventajas con respecto a un sistema on/off, utilizando relé, ya que no produce ruido y puede conmutar con mayor rapidez. El DAQ tiene ventajas como dispositivo de adquisición de datos frente al microcontrolador debido a que su resolución es mucho mayor. Debido a la desventaja del DAQ versión estudiantil para generar señales con rapidez es necesario una interfaz con el circuito de potencia. El microcontrolador tiene la ventaja de tener un reloj interno con una frecuencia alta que le permite sincronizarse con procesos que requieren tiempos muy cortos en un rango preciso de milisegundos. Figura 4. Diagrama de bloques del control proporcional. La DAQ como se muestra en la figura 4, tiene las dos tareas descritas como lectura y escritura con dos subvi. Para los abanicos se utiliza una sección de programa similar a la indicada en la figura 4, con la excepción que el valor a escribir para esta tarea es diferente y actúan solo cuando es necesario bajar la temperatura. En la figura 5, se muestra el entorno gráfico diseñado que incluye una ventana para las grafica de temperatura, controles para opciones manuales y los controles para indicar los rangos de temperatura deseados. Si se requiriera, el microcontrolador puede realizar el control de forma autónoma debido que puede programarse en su memoria la ecuación de control. 4 APLICACIONES Este proyecto tiene aplicaciones prácticas en el control de temperatura en recintos cerrados, como el control de temperatura ambiental de un biodigestor para producción de biogás. Donde las temperaturas promedio deben estar por encima de la temperatura ambiental exterior. Parte del proyecto puede aplicase como un control digital de iluminación con lámparas incandescentes. También puede ser utilizado para el control de potencia en focos infrarrojos utilizados con fines terapéuticos. 5 CONCLUSION Como resultado se logra mantener una temperatura media en un sistema con una constante de tiempo de 1 minuto. La combinación de las herramientas de programación y de dispositivos logra darle flexibilidad para un rango de aplicación amplio. 6 REFERENCIAS [1] [2] [3] Figura 5. Interfaz diseñada en LabVIEW. [4] [5] [6] 3 Chapman, Stephen J. “Máquinas Eléctricas”. 4nd. ed. McGraw-Hill Interamericana. Septiembre 2005. Norman S.Nisse, “Sistemas de control para ingeniería”. 3nd. ed. Grupo Editoreal PATRIA. pp 20-29. Onsemiconductor, ”Thyristor Theory and Design Considerations Handbook”, [En línea]. 2005. Disponible en: http://www.onsemi.com. National Semiconductor, “LM35 Precision Centigrade Temperature sensor”, Noviembre 2000. [En línea]. National Instruments, “User Guide and Specification DAQ 6008/6009”. Julio 2005. National Instruments, “LabVIEW Basic I Course Manual”. Septiembre 2000.