Sistema.de.Iluminacion...Lampara FS

7/23/2019 Sistema.de.Iluminacion...Lampara FS

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1Israel Ruelas Ramrez, [email protected]

Sistema de Iluminacin PermanenteIsrael Ruelas Ramrez, [email protected] sistema de iluminacin permanente es un sistema automtico que se encarga demantener un sitio iluminado a la misma intensidad en todo momento, ya sea de da o denoche. El sistema es automtico, lo cual determina su funcionamiento de manera hbrida coninteraccin de la luz solar. Las salidas del dispositivo corresponden a 2 subsistemas:

Un motor a pasos que abre una ventana para iluminar la habitacin

Una lmpara controlada para iluminar la habitacin de noche.

El corazn del sistema es un LDR que controla especialmente a un micro controlador quetoma las decisiones sobre qu hacer. La seal proveniente del LDR es acondicionada paratener comunicacin con el microprocesador a travs de un amplificador no inversor y unconvertidor Analgico Digital. El microprocesador procede a tomar la decisin deseleccionar ya sea el motor a pasos para abrir la ventana o el encendido de la lmparaincandescente para iluminar la habitacin. Cabe sealar, que sta lmpara es controlada paraque su brillo sea proporcional a la obscuridad presente en el cuarto, lo cual determina uncomportamiento ptimo en el desempeo del sistema.

Las salidas del sistema son acondicionadas ambas por 2 buffer de 3er estado, los cuales

sirven para eliminar el efecto de carga existente a la salida del micro. En caso del motor apasos, el buffer es el componente inmediato para su control. En caso del sistema deiluminacin con la lmpara incandescente, al buffer de 3er estado le sigue una serie decomparadores los cuales suman voltajes y los amplifican para ser aplicados a un subsistemade acoplo con la carga.

El circuito regulador de la frecuencia de pulsos al opto acoplador se implementa con untemporizador LM555 como oscilador astable el cual produce una frecuencia variable. Esteoscilador es controlado por medio de una modulacin por ancho de pulso en su terminalnmero 5, lo cual indica que el micro controlador, por medio de los circuitos sumadores yamplificadores, se encarga de enviar una seal que ser proporcional a la frecuencia de

pulsos que el LM555 enviar al opto acoplador. El valor de voltaje que el micro controladorentrega para modular el ancho de pulso es acondicionado con un convertidor Digital Analgico y una serie de amplificadores operaciones.


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DIAGRAMA A BLOQUES DESCRIPTIVO

El siguiente diagrama a bloques muestra la manera en que se construye el sistema deiluminacin permanente:

Figura 1:Diagrama a bloques descriptivo del proyecto

El LDREl LDR, por su nombre en ingls light dependent resistor, es un resistor cuyo valor vara de

acuerdo al nivel de luz al que est expuesto. De esta manera, es un foto resistor que seconstruye a base de semiconductores de alta resistencia como el sulfuro de cadmio. Si la luzque incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidaddel semiconductor dando a los electrones la suficiente energa para saltar la banda deconduccin. El electrn libre que resulta y su hueco asociado, conducen electricidad de talmodo que disminuye la resistencia. Los valores tpicos de un foto resistor vara entre 1M, oms, en la oscuridad y 100 con luz brillante.

LDR

Amplificador

ADC

Micro controlador

BufferBuffer

Motora pasos

Sumador devoltajes

Vibradorastable

Acoplamientocon la carga

Lmparaincandescente


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1.0 LDRLDR

R1

2R5600

B112V

Vdiferencial

Figura 2: LDR en fsico

Las clulas de sulfuro e cadmio se basan en la capacidad del cadmio en variar su resistenciasegn la cantidad de luz que incide en la clula, cuanta ms luz incide ms baja es laresistencia.

La variacin del valor resistivo de un LDR presenta un retardo, diferente si se pasa deobscuridad a iluminacin o viceversa. Esto hace que los LDR no se puedan utilizar enaplicaciones en las que se necesite exactitud en cuanto a tiempo de respuesta. El tiempo derespuesta tpico de un LDR es de aproximadamente 0.1 segundos. Una aplicacin tpica delLDR es como sensor de iluminacin para saber si es de da o de noche.

La implementacin de un LDR se hace mediante la divisin de tensin con ayuda de unresistor. Se hace notar que el divisor de voltaje producido es una caracterstica que varaconforme a la luminosidad:

Figura 3: Implementacin del LDR para obtener un voltaje diferencial


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De esta manera, al variar el valor de resistencia del LDR se provoca tambin una variacin

en la tensin entre el LDR y la resistencia R1.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM741

Este dispositivo es un amplificador de propsito general conocido y de uso extendido. Susparmetros son regulares. Caractersticas del LM741 se describen a continuacin:

Impedancia de entrada alta.

Valores pequeos de voltaje en offset en la entrada

Presenta alto rendimiento y ganancia de lazo abierto

Tiene compensacin interna

Buena estabilidad con la temperatura.

Figura 4: LM741 en fsico

La alimentacin del circuito puede realizar mediante una sola pila o mediante dos, en cuyo casose denomina alimentacin simtrica. El amplificador operacional recibe este nombre porqueinicialmente fue diseado para realizar operaciones matemticas con seales elctricas formandoparte de los denominados calculadores analgicos. A continuacin se muestra el diagrama de lasterminales correspondientes al LM741:

Figura 5: Diagrama de terminales del LM741


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u1741

3

2

4

7

6

51

RF

R1

R2

Rn

V1

V2

V3

Vout

u2741

3

2

4

7

6

51

R2

Vin

Vout

R1

Las principales caractersticas elctricas de operacin se muestran a continuacin:

Voltaje de alimentacin de +-22 Volts

Poder de disipacin de 500mW a 80C Voltaje diferencial de entrada de +-30 volts Voltaje de entrada de +-15 volts Soporta temperaturas de -55C a 125C

EL SUMADOR NO INVERSOR CON EL LM741Una configuracin de un amplificador operacional es el sumador no inversor que secaracteriza por sumar voltajes presentes en sus entradas y presenta el resultado en su salida.La configuracin es la siguiente:

Figura 6: Esquema de un sumador no inversor con el LM741

La ecuacin que describe al sumado no inversor es:

= (1

1+

2

2+

3

3)

EL AMPLIFICADOR NO INVERSOR CON EL LM741Otra configuracin del amplificador operacional muy comn es el amplificador no inversor,esta configuracin se utiliza para amplificar un valor de voltaje n veces. La configuracin esla siguiente:

Figura 7: Esquema de un amplificador no inversor con el LM741


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La ecuacin que determina su comportamiento es:

= (1 +2

1)

EL CONVERTIDOR ANALGICO - DIGITALEl ADC toma un voltaje analgico de entrada y lo convierte en un cdigo binario digital a lasalida. EL ADC0804 es de aproximaciones sucesivas el cual se muestra su diagrama:

Figura 8: Diagrama del ADC0804

El ADC se disea para tener una resolucin de 20mV por salida activada. De esta manera elmicrocontrolador se programa para recibir valores binarios que cambian por cada 20mV de variacinen la seal analgica de entrada.

EL MICRO CONTROLADOR AT89S52El micro controlador AT89S52 pertenece a la familia de micro controladores de 8 bits MCI-51 de Intel. Para que el dispositivo funcione requiere de un sistema mnimo que se forma porlos componentes mostrados en la siguiente figura:

Conexin almicrocontrolador


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Figura 9: Diagrama del sistema mnimo del micro controlador AT89S52

Los puertos de este dispositivo se utilizan para el control del motor a pasos y el nivel devoltaje que modula el ancho de pulso en el LM555. El uso de los puertos se describe acontinuacin:

Puerto 0: Entrada del nivel de luminosidad del LDR

Puerto 1: Control del motor a pasos

Puerto 2: Control del voltaje que modula por ancho de pulso.

EL BUFFER DE 3ER ESTADO 74LS245PEl buffer de 3er estado es el circuito intermedio entre el micro controlador y los dispositivosde salida. Se utiliza para incrementar la seal que el micro controlador emite por sus puertos,

es decir, para disminuir el efecto de carga del mismo. El diagrama del buffer es el siguiente:

Figura 10: Diagrama del Buffer de 3er estado 74LS245P

Para habilitar la entrada en A y salida en B se conecta la terminal DIR a VCC el cualdetermina el sentido del buffer. La terminal 19 se conecta a GND para habilitar eldispositivo.


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EL MOTOR A PASOSLos motores a pasos o PAP, son un tipo especial de motores el cual permiten el avance de sueje en ngulos muy precisos y pasos en las dos posibles direcciones de movimiento.

Figura 11: Motor a pasos en fsico

La operacin de un motor a pasos es determinado por la aplicacin de pulsos en susterminales. Existen motores de 4 y 6 terminales con lo cual existen secuencias de pulsos parael control de cada tipo de motor. Estas secuencias determinan el torque y la precisin delfuncionamiento del motor. El motor que se utiliza en este proyecto es un unipolar y lasecuencia que se utiliza es la que se describe a continuacin:

Figura 12: Secuencia de paso completo para motores unipolares

El LM555El circuito integrado 555 es un dispositivo estable que se utiliza para la generacin de sealesde pulsos. Se caracteriza por ser un dispositivo de bajo costo y grandes prestaciones.

Figura 13: vista fsica del LM555CN

Paso Terminal A Terminal B Terminal C Terminal D1 1 1 0 02 0 1 1 03 0 0 1 14 1 0 0 1


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La presentacin DIP de 8 pines es la comn. El encapsulado metlico se utiliza en

aplicaciones militares e industriales. Se dispone de igual manera del encapsulado de montajesuperficial, con la referencia LM555CM de la marca National.

DESCRIPCIN DE LAS TERMINALES DEL LM555La presentacin DIP de 8 pines es la ms comn. El encapsulado metlico se utilizaprincipalmente en aplicaciones militares e industriales. Tambin est disponible enencapsulado de montaje superficial, con la referencia LM555CM de national.

Figura 14: Distribucin de pines del 555

GND: es el polo negativo de la alimentacin, generalmente tierra. Trigger: es aqu donde se establece el inicio del tiempo de retardo si se configura

como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando el voltaje de esta terminalest por debajo del nivel de 1/3 el voltaje de alimentacin. Output: Es la salida del circuito, cuando la salida est en alto, el valor de su tensin es

el voltaje de alimentacin menos 1.7 Volts.

Reset: representa el reset del circuito, enva la salida a nivel bajo. Se conecta a VCCpara evitar que el circuito no se resetee.

Control de voltaje: Control de la modulacin por ancho de pulso. El voltaje que seaplica en este pin vara entre un 45 y 90% del voltaje de alimentacin. Cuando seutiliza la configuracin astable, el voltaje vara desde 1.7 volts hasta el voltaje dealimentacin. Si se modifica el voltaje en esta terminal se consigue una modulacinen el ancho de pulso. Si esta terminal no se utiliza se le suele conectar un capacitor

de 10nF para evitar interferencias. Thereshold: se utiliza para poner la salida a nivel bajo. Se trata de una entrada a un

comparador interno del circuito. Discharge: se utiliza para descargar con efectividad el condensador externo utilizado

por el temporizador para su funcionamiento +Vcc: es la terminal de alimentacin que va de 4.5 volts a 18 volts.


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EL LM555 COMO OSCILADOR ASTABLE

La frecuencia de operacin del LM555 como oscilador astable se calcula mediante lassiguientes frmulas:

= 1

ln 2(1 +22) (1)

1 = ln2 1+ 2 (2)2 = ln2 2 (3)

Donde:t1: Tiempo en alto del pulsot2: Tiempo en bajo del pulsof: Frecuencia de oscilacin del LM555

Figura 15: Diagrama del LM555 como vibrador astable

IMPLEMETACIN TOTAL DEL CIRCUITOEl sistema de iluminacin permanente cuenta con secciones que se describen anteriormentelas cuales necesitan ser unidas para funcionar como un todo. A continuacin se muestra el

diagrama del sistema de iluminacin permanente:

Figura 16: Diagrama General del sistema de iluminacin permanente

0.000000LDRLDR

R15R6

XTAL218

XTAL119

ALE30

EA31

PSEN29

RST9

P0.0/AD0 39

P0.1/AD1 38

P0.2/AD2 37

P0.3/AD3 36

P0.4/AD4 35

P0.5/AD5 34

P0.6/AD6 33

P0.7/AD7 32

P2.7/A15 28

P2.0/A8 21

P2.1/A9 22

P2.2/A10 23

P2.3/A11 24

P2.4/A12 25

P2.5/A13 26

P2.6/A14 27

P1.0/T21

P1.1/T2EX2

P1.23

P1.34

P1.45

P1.56

P1.67

P1.78

P3.0/RXD 10

P3.1/TXD 11

P3.2/INT0 12

P3.3/INT1 13

P3.4/T0 14

P3.7/RD 17

P3.6/WR 16

P3.5/T1 15

VIN+6

VIN-7

VREF/29

CLK IN4

A GND8

RD2

WR3

INTR5

CS1

D GND10

DB7(MSB) 11

DB6 12

DB5 13

DB4 14

DB3 15

DB2 16

DB1 17

DB0(LSB) 18

CLK R19

VCC 20

3

26

7

4

1

5

U3

LM741

R 4

DC7

Q3

GND

1

VCC

8

TR 2

TH6

CV 5

V ALIMENTACIN5v

2700R

2R2

1000R

1R3

C1100n

C2150p

R42R2

C347p

R5

100R

R6100R

X1CRYSTAL

C4

30p

C5

30p

A02

B0 18

A13

B1 17

A24

B2 16

A35

B3 15

A46

B4 14

A57

B5 13

A68

B6 12

A79

B7 11

CE19

AB/BA1

+88.8

A02

B0 18

A13

B1 17

A24

B2 16

A35

B3 15

A46

B4 14

A57

B5 13

A68

B6 12

A79

B7 11

CE19

AB/BA1

3

26

7

4

1

5

3

26

7

4

1

5

3

26

7

4

1

5

1000R

2R2

1000R2R2

1000R2R2

1000R2R2

R11

220R

R12

220R

R13

220R

3

26

7

4

1

5

R14

220R

R16100kR

R17

470R

C610n

C71u

R15100kR

1

2

6

4

R18220R

120 VACVSINE

R192R2

C8100n

Lmpara incandescente

MOC3011Triac

Motor a pasos

AT89S52

Micro


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FUNCIONAMIENTOEl funcionamiento del sistema de iluminacin permanente se divide en 4 etapas:1.- El LDR produce una diferencia de potencial junto con la resistencia que posee en serie yese voltaje es amplificado por el amplificador no inversor.2.- El voltaje ya amplificado es captado por el ADC que transforma ese valor analgico en unvalor binario para entregarlo al microcontrolador.3.- El microcontrolador hace un muestreo cada 5 minutos para detectar el nivel deluminosidad presente en el ambiente, toma una de las siguientes decisiones:

Si el nmero binario que tiene en su entrada es menor a 01000000 y mayor a00100000, el microprocesador procede a activar el motor a pasos para que gire untotal de 360 grados, lo que permite la apertura de la ventana.

Si el nmero binario que tiene en su entrada sobrepasa al nmero 01000000 pero esmenor a 10000000, el microcontrolador se dispone a enviar 3 seales a travs delbuffer para comenzar variar la frecuencia del oscilador astable. Esto provocar en elsistema de acoplamiento con la carga un recorte de la seal que hace que laluminosidad de la lmpara incandescente sea poca.

Si el nmero binario que tiene en su entrada se encuentra en el intervalo de valoresentre 10000000 y 11000000, el microcontrolador enva dos seales a travs del bufferpara que una vez sumndose varen an ms la frecuencia del oscilador astable. Deigual manera si el dato de entrada se encuentra entre 11000000 y 11111111 elmicroprocesador enviar 1 seales a travs del buffer para modificar la frecuencia deloscilador lo que provocar un cambio lento en la frecuencia del oscilador que serepresenta por un recorte pequeo en la seal.

RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.El sistema de iluminacin permanente es un sistema automtico y se encarga de mantener un sitioiluminado con la misma intensidad a todo momento. El registro que lleva a cabo el microcontroladores importante ya que determina qu dispositivo opera segn la intensidad de luz que le llega a la celdafoto resistiva. El LDR funciona adecuadamente ya que detecta la variacin de la intensidad de luz yvara su valor de resistencia en un porcentaje alto, lo que determina una variacin mayor en la entradadel ADC que comunica con el microcontrolador. Es necesario afirmar, que el buen funcionamientodel ADC es importante ya que tiene que traducir el valor analgico a digital para ser interpretado porel microcontrolador. Las salidas al dispositivo son 2 subsistemas que se adaptan al microcontrolador

por medio de un buffer de 3er estado. Estos dispositivos disminuyen el efecto de carga. El reguladorde la frecuencia de pulsos al opto acoplador funciona y se implementa con un temporizador LM555como oscilador astable el cual produce una frecuencia variable.. El valor de voltaje que el microcontrolador entrega para modular el ancho de pulso es acondicionado con un convertidor Digital Analgico y una serie de amplificadores operaciones. Se toma en cuenta que la calibracin deldispositivo es complicada, ya que los valores de los componentes adquiridos no son exactos con losque realmente se calculan. Por lo tanto esto tiene por consecuencia que en ocasiones los componentesno entreguen el valor de voltaje o corriente que se les pide.


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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Hojas de datos de LM741, NE555, ADC0804 [2] LDR, http://roble.pntic.mec.es/~jsaa0039/cucabot/fotorresistencia-intro.html [3] Calibracin de un LDR,

http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Practicas/Calibrado%20LDR%202003.pdf [4] LM555 modo astable, http://www.csgnetwork.com/ne555timer2calc.html [5] Control de potencia con Triac,

http://www.pablin.com.ar/electron/circuito/computer/triac220/index.htm

INDICERESUMEN...1DIAGRAMA A BLOQUES DESCRIPTIVO..2EL LDR....2EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM7415

EL SUMADOR NO INVERSOR CON EL LM7415EL AMPLIFICADOR NO INVERSOR CON EL LM741..6EL CONVERTIDOR ANALGICO - DIGITAL ..6EL MICRO CONTROLADOR AT89S52...6EL BUFFER DE 3ER ESTADO 74LS245P7EL MOTOR A PASOS.8El LM555..8DESCRIPCIN DE LAS TERMINALES DEL LM555.9El LM555 COMO OSCILADOR ASTALBE....10IMPLEMETACIN TOTAL DEL CIRCUITO10FUNCIONAMIENTO11RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ...12REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ..12
http://www.csgnetwork.com/ne555timer2calc.htmlhttp://www.csgnetwork.com/ne555timer2calc.html

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