martes, 25 de septiembre de 2012

Control PI discreto de iluminacion con ATmega8a

La corriente eléctrica es una señal alterna sinusoidal como la de la figura:

  
Al pasar esta corriente eléctrica por el bombillo haremos que se ilumine al 100 %.

Si logramos hacer que la señal aplicada al bombillo se recorte como se ve en la figura siguiente, obtendremos valores de iluminación entre un 0% y un 100%.

           
El objetivo del proyecto es controlar el ángulo de disparo de un TRIAC que estará conectado en serie con el bombillo, mediante el controlador PI, de acuerdo a la intensidad de luz que perciba un sensor LDR.  

Etapas

Sensor y acondicionamiento


El sensor que se utiliza es una fotorresistencia, el cual varía su valor, dependiendo de la intensidad de luz que se le aplique. La señal de salida alta en caso de baja intensidad de luz, y baja en caso contrario.

Como la salida del sensor (LDR) varia de 0-2.5v y la entrada del microcontrolador ATMEGA8 recibe voltajes de 0-5v, amplificamos este valor en un factor de 2 para aprovechar la sensibilidad del ADC del microcontrolador.

Referencia



Este potenciómetro se utilizará para elegir la intensidad de luz de referencia que se requiera mantener. También irá conectado a uno de los pines ADC del microcontrolador.

Control



El esquema muestra las conexiones de los pines del microcontrolador.



Se utiliza este bloque de circuito para poder sincronizar el programa con la señal sinusoidal del circuito de potencia que se quiere controlar. Este circuito enviará un pulso de interrupción cuando la señal cruce por 0, iniciando la rutina correspondiente en el programa. 

Circuito de Potencia


El diodo D1 se utiliza para proteger al microcontrolador. El MOC3031 es un optotriac que enviará una señal de activación al triac U6 cuando la salida del circuito de control sea 1 lógico (5 V), lo cual hará que el bombillo se encienda; caso contrario, si la salida del circuito de control es 0 lógico (0 V) el bombillo no se encenderá.

Circuito Completo


Programa en Basic

$regfile = "m8def.dat"     'ATmega8
$crystal = 8000000         'Frecuencia de cristal=8 MHz
$hwstack = 32              'Hardware Stack
$swstack = 10              'Software Stack
Config Portb = Output      'Puerto B como salida
Config Portc = Input       'Puerto C como entrada

'Definicion de variables

Dim Sensor As Word         'Dato medido en ADC1=Sensor
Dim Ref As Word            'Dato medido en ADC0=Referencia
Dim Ek As Single           'Error actual
Dim Ek_1 As Single         'Error anterior
Dim Pk As Single           'Componente Proporcional
Dim Ik As Single           'Componente Integral actual
Dim Ik_1 As Single         'Componente integral anterior
Dim Kp As Single           'Ganancia Proporcional
Dim Ki As Single           'Ganancia Integral
Dim Uk As Single           'Señal de control
Dim Uk_dig As Word
Dim Ukmax As Word          'Límite máximo de Uk
Dim Ukmin As Word          'Límite mínimo de Uk
Dim T As Single            'Periodo de muestreo
Dim Rampa As Word          'Señal escalón

'Configuracion ADC

Config Adc = Single , Prescaler = Auto
'Configuracion de unterrupciones
Config Timer1 = Timer , Prescale = 256                      'Configuración TIMER1, f=31.25 KHz
On Compare1a Int_timer1                                     'Interrupción por comparación
Enable Compare1a                                            'Habilitación interrupción por comparación
Config Int1 = Low Level                                     'INT1, flanco de bajada
On Int1 Int_zc                                              'Interrupción externa INT1
Enable Int1                                                 'Habilitación INT1
Enable Interrupts                                           'Habilitación global de interrupciones

Timer1 = 0
Stop Timer1


'Programa principal
   Ik_1 = 0
   Ek_1 = 0
   T = 0.0083       'Periodo de muestreo T=1/120=0.0083 s
   Kp = 1
   Ki = 0.04
   Ukmax = 32       'Ukmax=32 escalones
   Ukmin = 0        'Ukmin=0 escalones
   Rampa = 0                                                'Reinicialización de Rampa
 Do
   nop              'Bucle infinito
 Loop

'Rutinas de interrupción

'Interrupcion cruce por cero
 Int_zc:
   Stop Timer1
   Timer1 = 0       'Reinicialización de Timer1
   Compare1a = 7                                            'Interrupción cada 7*1/31250= 0.22 ms = 7.5ms/32
   Rampa = 0        'Reiniciar Rampa en cada Interrupción
   Portb.0 = 0      'Señal a Triac =0
   'Obtensión de señales Referencia y Sensor
   Start Adc
   Ref = Getadc(0)
   Sensor = Getadc(1)
   Stop Adc
   'control PI
   Ek = Ref - Sensor
   Pk = Ek * Kp         ' P(k)=Kp*e(k)
   Ik = Ek + Ek_1       ' I(k)=I(k-1)+Ki*T*(e(k)+e(k-1))/2
   Ik = Ki * Ik
   Ik = Ik * T
   Ik = Ik / 2
   Ik = Ik + Ik_1
   Uk = Pk + Ik         ' u(k)=P(k)+I(k)
   Uk_dig = Uk + 1023   ' Ajuste en rango 0 - 32 escalones
   Uk_dig = Uk_dig / 63
   Ek_1 = Ek
   Ik_1 = Ik

   'limitación de rango de señal de control
   If Uk_dig > Ukmax Then
      Uk_dig = Ukmax
   Elseif Uk_dig < Ukmin Then
      Uk_dig = Ukmin
   End If

   Start Timer1
   Return

'Interrupcion Timer  cada 0.22 ms 32 escalones por semiciclo
  Int_timer1:
   Stop Timer1
   Timer1 = 0         'Reiniciar Timer1
   Rampa = Rampa + 1                                             'Incrementar rampa por cada interrupción

   'Determinar instante en que se envia señal al TRIAC
   If Uk_dig > Rampa Then
      Portb.0 = 0     'Señal a Triac = 0
   Else
      Portb.0 = 1     'Señal a Triac =1
   End If

   Return

End


Funcionamiento:

El funcionamiento del programa es el siguiente:

  • Se establece un nivel de iluminación deseado en un ambiente mediante el potenciómetro RV1.
  • La iluminación se debe mantener en el nivel deseado, ya sea por acción del bombillo o por fuentes externas, como por ejemplo luz solar.
  • El programa principal no realiza ninguna operación (se puede implementar alguna rutina). El control se realiza mediante una rutina de interrupción, por lo que no se tendrá al microcontrolador ocupado todo el tiempo.
  • La rutina de interrupción, que se ejecuta en cada cruce por cero de la señal de potencia, consiste en un control PI discreto, en el que se implementan los siguientes algoritmos:


         Se debe determinar el periodo de muestreo:

  La señal de interrupción se genera en los cruces por cero. En la rutina de interrupción se obtienen las   
  señales del ADC, por lo tanto el periodo de muestreo es igual al periodo de los pulsos de interrupción:

                                                    T=1 / (120 Hz) = 8.33 ms


  • Se implementa una segunda rutina de interrupción por comparación que se ejecuta 32 veces en cada semiciclo de la señal de potencia. En cada interrupción una señal rampa se incrementa en una unidad y se reinicia en cada interrupcion de cruce por cero.


                   Se determina el valor en Compare1a:

                   El programa debe ejecutar una interrupción por comparación cada:

                                          t = 7.5 ms / (32 escalones) = 0.23 ms

                   Frecuencia de Tiner1:

                                           f = 8 MHz/256 = 31.25 KHz

                   Valor numérico en Compare1a:

                                        Compare1a = 0.23 · 10^(-3) · 31.25 · 10^(3) = 7.18
                                        Compare1a = 7

  •  Esta señal rampa se utiliza junto a la señal de control para determinar el ángulo de disparo del TRIAC.

         La señal de control “Uk” puede tomar un valor 0 -32 dependiendo de la intensidad de 
         iluminación (mayor intensidad àUk mayor y viceversa). 

                Si Uk > Rampa entonces el TRIAC no se dispara, el bombillo no se enciende.
                Si Uk <= Rampa entonces el TRIAC se dispara, el bombillo se enciende.

           La forma de la señal en el bombillo, que varía según el ángulo de disparo, hace que el
           voltaje eficáz también varíe; en consecuencia la intensidad de iluminación se controla.



Control de Temperatura con ATmega8a

Este circuito se implementa para mantener un ambiente dentro de un rango de temperatura, el caso más práctico es una incubadora. El controlador se encargará de hacer las correcciones necesarias cuando el sistema no cumpla las condiciones deseadas.

En este caso, el controlador de temperatura tendrá el papel de calefactor; ya que cuando el ambiente disminuya su temperatura respecto de la mínima del rango, el controlador se activará y lo calentará hasta que la temperatura regrese al intervalo. Ahora, cuando el sector aumente su temperatura respecto de la máxima del rango, el circuito se desactivará dejando de calentarlo para que éste se enfríe con el ambiente.

Para proveer de calor el sector mencionado se utilizará un bombillo incandescente el cuál se encenderá y apagará según sea el caso.

Etapas

Sensor de temperatura y acondicionamiento:


El LM35 es un sensor de temperatura que, según la configuración utilizada, entrega en su salida 10mV/oC; es decir, si la temperatura es de 25oC entonces la salida será 0.25 V.

El ADC del microcontrolador trabaja en el rango 0 – 5V, por lo tanto, para aprovechar mejor su sensibilidad, debemos amplificar la señal del LM35 10 veces. Es por ello que se utiliza el amplificador activo que puede implementarse en la configuración mostrada o utilizar la configuración básica con un LM741.

Referencia


Este potenciómetro se utilizará para elegir la temperatura de referencia que se requiera mantener. También irá conectado a uno de los pines ADC del microcontrolador.

Control


El esquema muestra las conexiones de los pines del microcontrolador.

Circuito de potencia

El diodo D1 se utiliza para proteger al microcontrolador. El MOC3031 es un optotriac que enviará una señal de activación al triac U6 cuando la salida del circuito de control sea 1 lógico (5 V), lo cual hará que el bombillo se encienda; caso contrario, si la salida del circuito de control es 0 lógico (0 V), el bombillo no se encenderá.

Circuito Completo


Programa en Basic


'configuracion de microcontrolador
$regfile = "m8def.dat"                                      'Microcontrolador a utilizar
$crystal = 8000000                                          'Frecuencia de oscilador interno =8 MHz
$hwstack = 32                                               'Hardware stack
$swstack = 10                                               'Software stack
Config Timer1 = Timer , Prescale = 64                       'Configuracion de TIMER1 F=Fosc/64
Config Portb = Output                                       'Puerto B como salida
Config Adc = Single , Prescaler = Auto                      'Configuracion de ADC

'Definicion de variables
Dim Vsensor As Word
Dim Vref As Word
Dim Tmin As Single
Dim Tmax As Single
Dim Tempref As Single
Dim Temp As Single

'Habilitacion de interrupcion por comparacion
Enable Interrupts
On Compare1a Interrupcion
Enable Compare1a

'Inicializacion de registros para comparacion
Timer1 = 0
Compare1a = 62500

'Programa principal
Do
   nop                                                      'Ninguna operacion
Loop

'Rutina de interrupcion
Interrupcion:

 'Rutina de ADC
 Start Adc                                                  'Iniciar ADC
 Vsensor = Getadc(1)                                        'Vsensor= Canal 1 de ADC
 Vref = Getadc(0)                                           'Vref= Canal 0 de ADC
 Stop Adc

 'Convertir valor obtenido de ADC a valor de temperatura
 Temp = Vsensor / 1023
 Temp = Temp * 50
 Tempref = Vref / 1023
 Tempref = Tempref * 50

 'Establecimiento de rango de temperatura
 Tmin = Tempref - .5
 Tmax = Tempref + .5

 'Control de temperatura en rango Tempref +/- 2
 If Temp < Tmin Then                                        'Si Temp<Tmin encender foco
   Portb.6 = 1
   Portb.5 = 0
 Elseif Temp > Tmax Then                                    'Si Temp>Tmax apagar foco
   Portb.6 = 0
   Portb.5 = 0
   If Temp > 32 Then
      Portb.5 = 1
   End If
 End If

 'Reinicializacion de registros para comparacion
 Timer1 = 0
 Return                                                     'Retorno de interrupción

End                                                         'Fin de programa


Funcionamiento

El funcionamiento del programa es el siguiente:


  • Se establece una temperatura de referencia mediante el potenciómetro RV2.
  • la temperatura se mantendrá en el rango Trmpref +/- 0.1ºC.
  • La rutina principal no realiza ninguna operación, en este caso, pero si se desea se podría mantener al microcontrolador realizando alguna tarea y el control de temperatura sólo será una rutina de interrupción que no lo mantendrá ocupado todo el tiempo.
  • La rutina de interrupción se ejcutará cada 0.5s, hace falta calcular el valor en Comapare1a:  
                   Se requiere que la rutina de interrupción se ejecute cada 0.5 s.             

                               La frecuencia del TIMER1 es:

                                                       f=fosc/64=8 MHz / 64 = 125 KHz

         La cuenta en el TIMER1debe llegar hasta un cierto valor, inicializado en COMPARE1A,en 0.5 s 
         para  que se ejecute la rutina de interrupción.

                                                              N·T = N / f = 0.5 s
                                                                 N = 0.5 · f=0.5 · 125000
                                                                 N = 62500 
  • Se sensa la temperatura de referencia y de salida del sistema. El ADC lo convierte a un valor digital de 0 - 1023. Es necesario llevarlo al rango 0 - 50ºC:
                    El ADC entrega un valor 0 – 1023d correspondiente a 0 – 5 V respectivamente, entonces:

                                                               Vadc=Vin · 1023 / 5
                                                                 Vin = 5·Vadc / 1023

                      En este caso el valor numérico de temperatura es 10 veces el valor numérico de voltaje, 
                es decir: 
         
                                                                   Temp = 10· Vin

           
                               Por lo tanto para obtener el valor numérico de temperatura  se realizan las operaciones:

                                                               Temp=50·Vadc/1023
  • En la rutina de interrupción se observa  que se crea un rango Tmin - Tmax. en el que se quiere mantener al sistema. 

             Si Temp<Tmin entonces se enciende el bombillo para que actúe como calefactor.
             Si Temp>Tmax entonces se apaga el bombillo para que el ambiente baje de temperatura.

El proceso se repite indefinidamente, pero si por alguna razón se sobrepasara una temperatura máxima, en este caso 32ºC, se activará una alarma en el pin 5 del Puerto B.