PROYECTOS PROPUESTOS
Se proponen los siguientes proyectos para ser desarrollados durante la
segunda parte del curso:
- Experiencias con
acelerómetros
- Experiencias con sensores
de temperatura
- Medición de la salinidad
del agua
- Medición de la potencia
activa y del factor de potencia
- Registro de la frecuencia
de la línea
de 220 V
- Visualización de un
electrocardiograma en un PC
- Medición del nivel de
sonido
Los proyectos 5, 6 y 7 pueden ser realizados por más de 1 grupo, ya que
se dispone de los elementos necesarios.
En esta guía sólo se
entregan
instrucciones básicas. Después de familiarizarse con el tema y las
referencias, cada grupo debiera solicitar más detalles al profesor.
Precaución general:
algunos sensores pueden
generar señales que exceden
el rango de entrada del µC. En tales casos se deben incluir los
elementos necesarios para garantizar que el PIC no se dañe. Se debe
mostrar el diseño al profesor antes de aplicar
señales al µC.
Referencias
1.- Experiencias
con acelerómetros
Objetivo: adquirir experiencia en el
funcionamiento y aplicación de acelerómetros.
Acelerómetros
- Investigar qué son los acelerómetros, cómo
funcionan, qué tipos existen y qué aplicaciones tienen.
Sismómetro L-4
- Se dispone de un sismómetro L-4 de Mark Products,
con bobina de 5500 ohm y frecuencia de resonancia igual a
1 Hz. Investigar las características del sismómetro y su
principio de funcionamiento.
- Generar un modelo eléctrico del sensor. Explicar su
comportamiento bajo y sobre la frecuencia de resonancia.
- Adaptar la salida del sensor al rango de entrada del
PIC para máxima sensibilidad y mínimo ancho de banda sin usar
componentes activos. Ajustar el circuito para amortiguamiento crítico.
- Programar un filtro digital en el PIC
para reducir
el ruido electromagnético y el de cuantización.
- Conectar el sensor al µC y graficar la respuesta
impulso en la
pantalla del PC. Confirmar la frecuencia de resonancia.
- Detectar y graficar vibraciones del piso en
el laboratorio. Comparar con la señal entregada por el
osciloscopio.
Acelerómetro ADXL330
-
 Se dispone de un acelerómetro ADXL330 montado en
una pequeña tarjeta de circuito impreso. Investigar sus características
y principio de funcionamiento.
- Adaptar la salida del sensor al rango de entrada del
PIC.
- Conectar al µC y graficar la aceleración del
eje Z en la
pantalla del PC.
- Programar un inclinómetro de 2 ejes en el µC. Los
ángulos deben ser mostrados en el visor LCD.
Precauciones
- El sismómetro L-4 es un
dispositivo delicado, por lo
que no debe ser sometido a golpes o vibraciones fuertes.
- El sismómetro L-4 puede
generar tensiones mucho
mayores que las que soporta el PIC.
- El acelerómetro ADXL330 es
vulnerable a la ESD.
Referencias
2.- Experiencias
con sensores de temperatura
Objetivo: adquirir experiencia en la
utilización de termistores, termocuplas, termómetros de platino y
sensores integrados de temperatura.
Sensor integrado análogo
-
 Se dispone de un sensor de temperatura análogo
LM335. Examinar las características del sensor.
- Montar un circuito básico de evaluación del LM335.
- Colocar el sensor dentro de la cámara de temperatura
controlada junto a un termómetro de alcohol.
- Contrastar la tensión del LM335 con la temperatura
medida por el termómetro.
- Conectar el LM335 al µC y desplegar su temperatura en
el visor LCD.
- Variar la temperatura de la cámara entre 25 y
60 ºC y verificar la lectura de temperatura.
Termistor
-
 Investigar las características de los
termistores de precisión NTC, y de su relación R / T (gráfica y
analítica).
- Se dispone de un termistor NTC Vishay de 10 kohm @ 25
°C y 5 % de tolerancia. Investigar sus características.
- Linealizar la característica del termistor mediante
un divisor resistivo en el rango 20 - 60 ºC.
- Escribir un programa en el PIC para calcular y
desplegar la temperatura del termistor.
- Simular el termistor con una resistencia decade
y verificar la lectura obtenida en el visor LCD.
- Conectar el termistor al µC y desplegar la
temperatura en el visor LCD.
- Variar la temperatura de la cámara entre 25 y
60 ºC y verificar la lectura de temperatura.
Termocupla
-
 Investigar las características de las
termocuplas (tipos, tensión de salida, juntura fría).
- Se dispone de una termocupla tipo J. Investigar sus
características.
- Medir la tensión de la termocupla con el
microvoltímetro HP 3465B a medida que se eleva su temperatura.
- Amplificar la tensión de la termocupla para
poder
aplicarla al µC.
- Se usará un LM335 para compensar la temperatura de la
juntura fría. Adosarlo a la juntura fría.
- Conectar el LM335 al µC y desplegar su temperatura
en el visor LCD.
- Aplicar la señal amplificada de la termocupla al µC.
Calcular la temperatura de la termocupla compensando la juntura fría.
- Desplegar la temperatura de la termocupla en el visor
LCD junto a la del LM335.
- Verificar el funcionamiento del mecanismo de
compensación de la juntura fría aplicando calor a la unión juntura fría
/
LM335.
- Variar la temperatura de la cámara entre 25 y
60 ºC y verificar la lectura de temperatura.
Termómetro de platino
- Se dispone de un termómetro de platino (PT-100)
modelo TCP-907 de 3 terminales.
- Investigar las características del sensor.
- Diseñar y montar un circuito adaptador para conectar
el PT-100 al µC.
 Se
dispone de un simulador de PT-100 Time
Electronics type 1049. Verificar el circuito adaptador.- Conectar el PT-100 al circuito adaptador y verificar
la lectura de temperatura.
- Variar la temperatura de la cámara entre 25 y
60 ºC y verificar la lectura de temperatura.
Sensor integrado digital
-
Se dispone de un sensor digital de temperatura
DS18B20. Investigar las características del sensor.
- Conectar el sensor al µC
y escribir un programa para desplegar su temperatura en el visor LCD.
- Variar la temperatura de la cámara entre 25 y
60 ºC y verificar la lectura de temperatura.
Precauciones
- No exceder la temperatura
máxima de cada sensor.
- El termistor se puede
dañar al soldar el cable de
extensión. Disipar el calor del cautín durante el proceso.
Referencias
3.- Medición de la
salinidad del agua
Objetivo: construir un prototipo de un medidor
de la salinidad del agua.
Salinidad, conductividad y temperatura
- Investigar la importancia científica de la medición
de la salinidad del agua de mar.
- Investigar la relación matemática entre la
conductividad, salinidad, temperatura y presión en el agua de mar.
Sensor de conductividad
-
 Se dispone de un sensor de conductividad
inductivo toroidal. Investigar su funcionamiento.
- Estimar la constante del sensor en base a su
geometría y a la salida generada por un loop
resistivo.
- Desarrollar un circuito de interfaz para conectar el
sensor de conductividad al microcontrolador.
- Medir y desplegar la conductividad de un loop
resistivo en el visor LCD.
- Montar el sensor en una batea plástica dejando fuera
del agua la parte posterior, donde se encuentran las conexiones.
- Medir y desplegar la conductividad del agua dulce en
el visor LCD.
- Agregar sal al agua y repetir la medición.
Sensor de temperatura
- Se usará un sensor de temperatura integrado (LM335)
para compensar el efecto de la temperatura en la conductividad.
Examinar las características del sensor.
- Soldar un cable de extensión de 1 mt al sensor,
sellarlo a prueba de agua salada, y adosarlo al sensor de conductividad.
- Desplegar la temperatura del sensor en el visor LCD
con una resolución de 0.1 ºC.
- Sumergir el sensor y contrastar la temperatura medida
con la de un termómetro de alcohol.
Salinómetro
- Calcular la salinidad en el microcontrolador y
desplegarla junto a la temperatura y a la conductividad en el visor LCD.
- Calibrar el instrumento con agua de mar.
- Agregar a la batea un calefactor para elevar la
temperatura, y un agitador para uniformizarla.
- Verificar la compensación de temperatura del
salinómetro.
- Diluir el agua de mar con agua dulce y verificar la
medición de salinidad.
Precauciones
- El agua de mar es muy
corrosiva. Evitar el contacto
con los instrumentos, los componentes, el protoboard,
etc.
Referencias
4.- Medición de la
potencia activa y del factor de potencia
Objetivo: construir un medidor de potencia
activa y de factor de potencia para
cargas monofásicas lineales y no lineales conectadas a la línea de
220 V.
Antecedentes
- Investigar el significado de potencia intantánea,
potencia promedio, potencia activa, potencia reactiva, potencia
aparente y factor de potencia.
- Investigar las relaciones matemáticas requeridas para
calcular la potencia activa y el factor de potencia a partir de
muestras de la tensión y de la corriente en una carga lineal o no
lineal, resistiva o reactiva.
Algoritmo
- El tiempo de conversión del ADC
del
PIC introduce un desfasaje entre el canal de tensión
y
el de corriente. Estimar su impacto en la medición de la
potencia activa.
- Determinar la frecuencia de muestreo a usar
considerando un ancho de banda de 2.5 kHz (armónica Nº 50).
- Desarrollar y evaluar un algoritmo en MATLAB
para calcular el valor RMS de la tensión, el valor RMS de la
corriente, la potencia activa y el factor de potencia, en cargas
lineales
y no lineales. El programa debe generar las ondas de tensión y de
corriente simulando la tasa de muestreo del PIC. Cuantificar el error
causado por la no inclusión de un número
entero de ciclos en el cálculo simulando cambios en la frecuencia de
las sinusoides.
- Programar el algoritmo en el µC desplegando el valor
RMS de la tensión, el valor RMS de la corriente, la
potencia activa y el factor de potencia en el visor LCD.
- Aplicar señales simuladas de tensión y de corriente
al µC y verificar los
valores desplegados.
Medición de la tensión
- Se usará un transformador común con primario de 220 V
como sensor de tensión. Medir la resistencia y aislación de los
devanados.
- Adaptar la salida del sensor (sin usar componentes
activos) para
obtener una réplica fiel de la tensión de la línea
que pueda
ser
aplicada al PIC sin dañarlo.
Medición de la corriente
Se dispone de un transformador de corriente AC1005.
Investigar las características del sensor.-
Medir la respuesta de frecuencia del sensor AC1005,
desde 50 hasta 2500 Hz.
- Adaptar la salida del sensor (sin usar componentes
activos) para obtener
una
tensión aplicable al PIC que sea una réplica fiel de la corriente de la
línea, con un ancho de banda de 2.5 kHz (armónica Nº 50).
Potencia y Factor de Potencia
- Conectar las señales de los sensores al µC y medir la
potencia activa y el factor de potencia.
- Verificar con cargas resistivas (ampolletas
incandescentes,
cautines, calefactor), carga reactiva (capacitor) y cargas no
lineales (ampolletas de alta eficiencia, computador).
- Medir el grado de ahorro de energía conseguido al
reducir en un 10 % la tensión de la línea en las
cargas anteriores.
Precauciones
- Las puntas de los
osciloscopios (y los osciloscopios)
normalmente no soportan 220 Vrms en la entrada.
- El circuito de 220 V debe
estar armado en un tablero
de madera. Ninguna parte de este circuito debe colocarse en el protoboard.
- Al realizar mediciones en
el circuito de 220 V, el PC
debe estar desconectado del circuito para evitar posibles
cortocircuitos a través de la tierra de seguridad.
Referencias
5.- Registro de la
frecuencia de la línea de 220 V
Objetivo: construir un frecuencímetro de la
línea de 220 V con capacidad de registro, y usarlo para adquirir
información acerca de las fluctuaciones de la frecuencia de la red.
Frecuencia de la línea
- Investigar acerca de la historia de la frecuencia de
la línea.
- Investigar acerca de las razones por la cuales la
frecuencia no es menor que 50 Hz o mayor que 60 Hz.
Algoritmo
- Investigar acerca de métodos para medir en forma
precisa frecuencias bajas en intervalos breves de tiempo.
- Desarrollar
un algoritmo en MATLAB capaz de medir la
frecuencia de la red con una exactitud de 0.01 Hz en 1 seg.
El programa debe simular la onda sinusoidal proveniente del sensor con
una frecuencia fundamental prefijable entre 49.00 y 51.00 Hz;
se
debe incluir un cierto contenido armónico y
ruido de cuantización. La tasa de muestreo simulada debe ser
igual a la que se usará en el programa del PIC.
Microcontrolador
- Trasladar el algoritmo al PIC y desplegar la
frecuencia en el visor LCD.
- Evaluar con un generador y 2 frecuencímetros, tales
como el Ferisol HB210 y el multímetro Tektronix DMM916.
Sensor
- Se usará un transformador común con primario de 220 V
para obtener la forma de onda de la tensión de la línea. Medir la
resistencia y
aislación de los devanados.
- Adaptar la salida a la entrada del PIC sin usar
componentes activos, y sin exceder el rango de entrada permitido.
Medición de la frecuencia instantánea
- Medir la frecuencia de la línea con el PIC y
corroborar con al menos 2 frecuencímetros confiables.
Registro y análisis de las fluctuaciones de la frecuencia
- Conectar una memoria EEPROM 24LC256 al PIC. Almacenar
y recuperar datos.
- Almacenar datos de frecuencia de la línea cada 1
minuto durante 24 horas en la memoria EEPROM.
- Transferir los datos almacenados al PC y analizarlos
con MATLAB o EXCEL: graficar la frecuencia versus tiempo, calcular
estadística (promedio, desviación estándar, mínimo, máximo,
histograma). Extraer conclusiones.
Precauciones
- El circuito de 220 V debe
estar armado en un tablero
de madera. Ninguna parte de este
circuito debe colocarse en el protoboard.
- Al realizar mediciones en
el circuito de 220 V, el PC
debe estar desconectado del circuito para evitar posibles
cortocircuitos a través de la tierra de seguridad.
Referencias
6.- Visualización
de un electrocardiograma en un PC
Objetivo: construir un prototipo de un
electrocardiógrafo usando el µC y el PC.
Investigación preliminar
- Investigar acerca de las características de las
señales electrocardiográficas, electrodos, derivaciones, magnitud de la
señal, anchos de banda requeridos para monitoreo y para diagnóstico,
potenciales de contacto, interferencias típicas, etc.
Electrodos
- Examinar los 3 electrodos y el gel conductor
disponibles.
- Medir el potencial de contacto entre 2 electrodos
colocados en las muñecas.
Simulador
- Montar un circuito capaz de simular las
características esenciales de la señal electrocardiográfica. Este
circuito ayudará a desarrollar el electrocardiógrafo sin necesidad de
conectar electrodos a un sujeto.
Preamplificador
- Construir un preamplificador de señales de
electrocardiograma para 3 electrodos (muñecas y tobillo).
- El preamplificador debe incluir filtros análogos
pasaaltos y pasabajos.
- La salida del preamplificador debe ser compatible con
el ADC del
PIC.
- Evaluar el preamplificador con la señal simulada.
- Agregar la protección driven right
leg al preamplificador.
- Evaluar el preamplificador con la señal real y el
osciloscopio.
Microcontrolador
- Adquirir la señal con el µC, usando oversampling
para potenciar el procesamiento posterior.
- Transmitir la señal al PC.
PC
- Recibir la señal del ECG, graficarla en
pantalla y almacenarla en un archivo.
- Diseñar un filtro digital
para atenuar el ruido de línea sin distorsionar la forma de onda.
- Filtrar los datos mediante un programa en
MATLAB.
Precauciones
- El sujeto debe mantenerse
completamente aislado de
circuitos, instrumentos, etc. Aclarar detalles con el
profesor para minimizar los riesgos.
Referencias
7.- Medición del
nivel de sonido
Objetivo: construir un prototipo de un
sonómetro (sound level
meter), instrumento usado para medir el nivel de presión
acústica, o sound
pressure level (SPL).
Investigación preliminar
- Investigar acerca de la definición de la SPL.
- Investigar acerca de los efectos del exceso de ruido
ambiente en el ser humano.
Sensor
-
Se utilizará como sensor un micrófono electret
común para PCs. Investigar las características generales de estos
micrófonos.
- Construir un amplificador con
respuesta de frecuencia plana para el micrófono, el cual servirá para
visualizar la señal del mismo en el
osciloscopio.
- Se dispone de un sonómetro comercial Uni-T. Determinar la sensibilidad del
micrófono generando ruido con los parlantes del PC y
comparando la salida del
amplificador con la lectura del sonómetro.
- Agregar una etapa de ponderación A al amplificador.
- Adaptar la salida del amplificador a la entrada del
ADC del PIC.
Microcontrolador
- Aplicar la salida del amplificador al µC.
- Calcular la SPL y desplegarla en el visor LCD.
- Comparar las lecturas obtenidas con las del sonómetro
comercial.
Referencias
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