CONTROL DE TEMPERATURA DE UN HORNO.

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- Arduino Nano

El Arduino Nano es una pequeña, completa y tablero de usar placa basada en el ATmega328 (Arduino Nano 3.x) oATmega168 (Arduino Nano 2.x). Tiene más o menos la misma funcionalidad de la Arduino Duemilanove, pero en un paquete diferente. Carece de una sola toma de corriente continua, y funciona con un cable USB Mini-B en lugar de una normal. El Nano fue diseñado y está siendo producido por Gravitech.

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- TIP 120

El TIP120 es un ejemplo de par Darlington, tiene un encapsulado del tipo TO220 como el de la figura. La ganancia de corriente según las especificaciones del fabricante es de 1000, y la máxima corriente que puede circular por el colector es de 5 A.

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- MOD3021

Son conocidos como optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico, basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión eléctrica. Estos son muy útiles cuando se utilizan, por ejemplo, Microcontroladores PICs y/o PICAXE si queremos proteger nuestro microcontrolador este dispositivo es una buena opción. En general pueden sustituir los relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes. La gran ventaja de un opto acoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. Fundamentalmente este dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un foto sensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso, todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

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- Lámpara incandescente 10Ws

Una lámpara de incandescencia o lámpara incandescente1 es un dispositivo que produce luz mediante el calentamiento por efecto Joule de un filamento metálico, en concreto de wolframio, hasta ponerlo al rojo blanco, mediante el paso de corriente eléctrica. Con la tecnología existente, actualmente se considera poco eficiente, ya que el 85 % de la electricidad que consume la transforma en calor y solo el 15 % restante en luz.

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Descripción del sistema

Se construyó una maqueta para el diseño y las pruebas del sistema. Se simuló el calentamiento producido por un horno industrial con lámparas incandescentes; en total se utilizaron tres lámparas de 10 watts cada una. También se agregó un extractor con un voltaje nominal de 12 volts de corriente directa (CD), y un sensor de temperatura LM35.

En la Figura 1 se muestran las partes principales del sistema de control. La temperatura del recinto es detectada por el sensor LM35 que entrega un voltaje entre 0 y 1 volt de CD en el rango de 0–100 ºC («National Semiconductor Corporation», 2007).

El programa utiliza las lecturas de dichos voltajes para determinar la velocidad del motor del ventilador en el rango de 0–100%, y entrega la correspondiente señal de salida digital PWM de voltaje en el rango de 0–5 volts que se aplica a la etapa de potencia del motor de la Figura 4 («Datasheet Catalog», 2007). Misma que proporciona un voltaje de 0–12 volts al motor, y su velocidad será proporcional al nivel de enfriamiento requerido. Al girar las aspas del ventilador retira el aire caliente y se enfría el ambiente del recinto y esto afecta a la lectura del sensor de temperatura, repitiéndose el ciclo de control permanentemente.

Los voltajes analógicos del sensor de temperatura y del valor deseado de temperatura están en el rango de 0–5 volts y son aplicados al módulo de entradas analógicas del Arduino que los digitaliza en el rango de 0–32000. El valor de cada lectura debe ser normalizado por el programa para que quede en el rango de 0 a 1 y pueda ser utilizado en la rutina PID. En forma similar, el programa determina la velocidad del motor en el rango de 0 a 1, siendo 1 la velocidad máxima, y este valor debe ser des normalizado para que esté en el rango de 0–32000 que en el módulo de salida analógica del Arduino corresponde a un voltaje de 0–5 volts que es enviado hacia la etapa de potencia.

Desarrollo

Para la realización, es necesario contar con los siguientes elementos:

- Placa Arduino

- Cable USB

- LM35

- Entorno de desarrollo LabView

- Lámparas incandescentes

- Computadora

- TIP 120

- MOC 3021

- Bases para focos

- Extractor de aire

- Fuente de 12v DC

Para mantener la temperatura en un pequeño espacio cerrado se fabricó una caja de MDF y Acrílico con el objetivo de mantener la temperatura de la lámpara incandescente y así hacer uso del sensor de temperatura para tener una buena medición.

Para obtener la función de transferencia se utilizó el siguiente método:

El primer paso es calcular la ganancia K a partir de la siguiente formula:

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La temperatura de estado estable es de 45 grados centígrados y el voltaje de entrada es de 220 voltios.

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Se determina la constante de tiempo:

Ahora por criterio del 2% de error, se determina el tiempo que tarda la salidad en alcanzar un 98% de su valor, se divide entre 4 y se obtiene la constante de tiempo.

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Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de control de temperatura.

Modelado del Sistema

Una vez construida la maqueta se procedió a obtener el modelo matemático del sistema que consiste en una ecuación que represente su comportamiento. Para determinar el modelo matemático fue necesario