INTRODUCCION

En el presente trabajo se implementa una aplicacin del puente de Wheatstone

para el diseo de una bscula electrnica utilizando un transductor (galgas

extensiomtricas). Se describe el acontecimiento de la seal por la deformacin de

la galga, las diferentes etapas del circuito, el amplificador de instrumentacin, el

filtrado y conversin anloga digital. Se muestra la importancia de las galgas

extensiomtricas y las diferentes aplicaciones de este transductor en la industria.

El diseo de los sistemas de medida centra su atencin el tratamiento de las

seales o magnitudes de entrada. Los sensores y los transductores son parte

fundamental para cualquier sistema electrnico. Las galgas extensiomtricas son

dispositivos transductores pasivos que aplicados sobre algn material fijo o

elstico, permiten medir la fuerza ejercida sobre el a partir de la formacin

resultante. As, las fuerzas de comprensin o torsin, aplicadas sobre algn

material, generan deformaciones que son transmitidas a una galga

extensiomtrica, respondiendo esta con una variacin de su propia resistencia.

Disear la etapa de entrada y acondicionamiento de seal para una bscula

electrnica

Se debe realizar la etapa de entrada de un equipo completo de instrumentacin, el

cual debe medir pesos entre 0 y 1000 gramos.

El equipo o bscula electrnica debe tener todos los componentes necesarios

para el buen funcionamiento del equipo:

Elementos de entrada: sensor y puente de Wheatstone.

Acondicionamiento de seales: Amplificador y conversor A/D

Fundamento de las Galgas extensiomtricas: Efecto piezoelctrico

Las galgas extensiomtricas se basan en la variacin de la resistencia de un

conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecnico. Este

efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilo metlico de

longitud l, seccin A y resistividad?, su resistencia elctrica R es:

=

(1.1)

Si se le somete a un esfuerzo en direccin longitudinal, cada una de las tres

magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo

tanto, R tambin cambia de la forma:

=

+

(1.2)

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza

unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia (Figura 1),

viene dado por la ley de Hooke,

=

= =

(1.3)

Donde E es una constante del material, denominada mdulo de Young, s es la

tensin mecnica y es la deformacin unitaria. es adimensional, pero para

mayor claridad se suele dar en microdeformaciones (1 = 1

= 106 /). Si se considera ahora una pieza que adems de la longitud l tenga

una dimensin transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un

esfuerzo longitudinal no slo cambia l sino tambin lo hace t. La relacin entre

ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:

= /

/ (1.4)

Donde es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor est entre 0 y 0.5,

siendo, por ejemplo, de 0.17 para la fundicin maleable, de 0.303 para el acero y

de 0.33 para el aluminio y el cobre. Obsrvese que para que se conservara

constante el volumen debera ser = 0.5.

Diagrama de bloques:

Diagrama esquemtico:

Puente de Wheatstone:

Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variacin, los cambios de voltaje

de un simple divisor de voltaje son mnimos e incluso pueden confundirse con

variaciones de la fuente de alimentacin (ruido); en estos casos se hace necesaria

la utilizacin de un circuito llamado puente de Wheatstone, el cual se muestra en

la Figura. Segn la Figura (b) En una de las ramas se coloca el elemento sensor

resistivo que en nuestro caso es la galga extensiomtrica, se ajusta el

potencimetro de manera que en estado de reposo de la galga el voltaje en a

sea exactamente la mitad de , la otra rama debe de ser un divisor de voltaje en

donde Vb sea tambin exactamente la mitad de ; el voltaje de inters se toma

de los puntos a y b que en estado de reposo de la galga ser 0 , cuando vara

la resistencia de sta, se presenta entonces un voltaje mayor o menor a cero

segn si aumenta o disminuye la resistencia respectivamente, y debido slo a la

variacin de la misma, este circuito permite pues inmunidad ante los cambios

(ruido) en la fuente de alimentacin y una mayor sensibilidad que se refleja en un

mejor control de la informacin proveniente del sensor.

En la Figura (a), la resistencia 3 representa al transductor, y sufre una desviacin

segn un parmetro d, si 1 = 4 = 2, entonces:

3 = 2 (1+) (1.5)

La desviacin se causa por la respuesta del transductor que se modifican con la

seal de entrada.

El voltaje de salida es una medida de la desviacin d. La tensin es un

voltaje de circuito abierto, entonces:

= [2( 1 + )

2(1 + ) + 1

22 + 1

]

Y de esta manera:

= (1 / 2

1+2) (1.6)

Amplificador restador:

Para no provocar cadas indeseadas de voltaje ni extraer corriente del puente de

Wheatstone se emplea un operacional en configuracin de seguidor de voltaje, la

alta impedancia de entrada de stos permite extraer la informacin del voltaje sin

influir en el comportamiento del puente. Las seales del voltaje Va y el voltaje Vb

entran entonces en un amplificador restador con una ganancia mxima de voltaje

de 100 (ajustable). El voltaje del amplificador restador est determinado por la

siguiente ecuacin:

=

(1 2) (1.7)

Voltmetro luminoso:

La etapa de salida de nuestro sistema comprende dos secciones, un sistema

visual mediante LEDs y un despliegue del peso aplicado mediante un display LCD.

En el sistema visual mediante LEDs, prendern segn se vaya colocando peso

sobre la galga, teniendo 7 LEDs verdes indicando funcionamiento normal, 2

amarillos indicando que el peso se acerca al mximo soportado y uno rojo

indicando que se ha llegado al tope de medicin de la galga. Para esto se utiliza el

circuito integrado LM3914.

LM3914

El LM3914 es un circuito integrado monoltico que censa niveles analgicos de

voltaje y maneja 10 LEDs, resultando un visualizador grfico lineal, un simple pin

cambia la forma de visualizacin, de ir recorriendo un solo led o ir llenando una

barra de leds. La corriente que maneja los LEDs est regulada y programada para

evitar la necesidad de resistencias para cada uno de ellos.

El circuito tiene su propio ajuste de referencia para variar el rango de voltaje que

muestran los 10 leds, sta referencia es la que se usa para calibrar el sistema de

la galga. La Figura muestra el diagrama a bloques y la configuracin de pines del

LM3914.

Convertidor Analgico/digital ADC0804:

El Circuito Integrado ADC0804 es un convertidor analgico/digital de 8 bits con

compatibilidad para Microprocesadores. Su funcionamiento se basa en la tcnica

de conversin por aproximaciones sucesivas. Posee lo necesario para

comportarse como un puerto de I/O de microprocesador directamente sin la

necesidad de lgica externa y puede funcionar tambin en corrimiento libre.

Emplearemos este integrado para digitalizar una seal analgica de voltaje

proveniente de la galga que variar de 0 a 5 V, por lo que la resolucin del ADC

ser:

o = 2= 256 ( ),

o =

21 =

5

255= 0.0196078 (Volts/LSB) (1.8)

La configuracin de pines y la aplicacin del ADC0804 se muestran en la Figura:

La ecuacin que determina la frecuencia del reloj interno del ADC0804 es la

siguiente:

=1

1.1=

1

1.1(10)(150)= 606.06KHz (1.9)

En donde la red RC est conectada entre los pines 4 y 19 del ADC. Microprocesador ATMEL AT90S2313-10

El AT90S2313 consume baja potencia y posee un gran desempeo, tiene 2 k

bytes de memoria FLASH interna programable. El dispositivo est manufacturado

usando una tecnologa de alta densidad de memoria no voltil. Posee 128 bytes

de memoria RAM y 128 bytes de memoria EEPROM. La memoria FLASH interna

puede ser reprogramada por el mismo sistema o por cualquier programador

estndar de memorias de otras compaas. Combinando una CPU verstil de 8

bits con la memoria FLASH interna, el AT90S2313 es un poderoso

microcontrolador que provee soluciones de alta flexibilidad y bajo costo para

cualquier aplicacin de control embebido. El AT90S2313 provee los siguientes

estndares: 2K bytes de memoria FLASH, 15 lneas de entrada salida I/O

programables, funcin perro guardin, apuntadores de datos, un

contador/temporizador de 16 bits, otro ms de 8 bits, una arquitectura de

interrupciones de seis vectores dos niveles, un puerto serial Full Dplex, oscilador

interno, y circuito de reloj. Adems el AT90S2313 est diseado con lgica

esttica para operar en dos modos de operacin elegibles.

El modo IDLE detiene el CPU mientras permite a la RAM, a los

contadores/temporizadores, al puerto serial y al sistema de interrupciones,

continuar con su funcionamiento. El modo de descanso guarda el contenido de la

RAM y deshabilita todas las dems funciones del chip hasta que se presente una

interrupcin o se resete la unidad.

Caractersticas:

Emplea arquitectura RISC

32 x 8 registros generales 2 K Bytes de In-System

Programable (ISP) Flash Memory

128 bytes de SRAM

128 bytes de EEPROM programable

Duracin: 1000 ciclos de Lectura/Escritura

Rango de operacin de 4.0 V a 6 V.

Operacin de 0 Hz a 10 MHz

Tres niveles de proteccin de la Memoria

Comparador Anlogo Interno

Tecnologa de proceso CMOS de alta velocidad y bajo consumo de potencia.

Un contador/temporizador de 16 bits.

Un contador/temporizador de 8 bits.

Comunicacin Full Dplex UART Serial

Modos de operacin: Low-power Idle y Power-down.

Reanudacin de trabajo mediante interrupciones.

15 lneas de I/O programables.

Tiempo de programacin rpido.

Programacin ISP flexible

Display LCD:

La visualizacin de la informacin se realiz con una pantalla LCD 2 x 16 que usa

un controlador estndar HD44780. Enseguida se muestra una imagen de esta

LCD y su respectiva configuracin de pines.

Obtencin del modelo matemtico del comportamiento de la galga:

Debido a que el comportamiento de nuestra galga al ir colocando pesos en ella no

es totalmente lineal, como se puede observar en la Figura 10 (a), es necesaria la

obtencin matemtica experimental de dicho comportamiento, para hacerlo, se

colocaron pesos de 5 en 5 gramos y se midi el voltaje que se presenta a la salida

del amplificador restador. Se repiti esta labor 10 veces para obtener mejores

resultados, hecho esto se convirtieron los valores de voltaje a la palabra digital

equivalente entregada por el ADC0804, la Tabla 1 muestra un resumen del

procedimiento.

Necesitamos conocer el valor numrico de un peso colocado en la galga en

funcin de la entrada digital que recibe el Microprocesador. Como podemos

observar en la Figura 10 (b) existe una no linealidad marcada para valores de la

palabra digital menores a 25 (correspondiente aproximadamente a 20 gramos),

entonces para tener un mejor modelado dividimos los datos en dos grupos, uno

cuando la entrada digital es menor a 25 (grupo A) y otro cuando es mayor a 25 (el

mximo permitido es 255 que equivale a 100 gramos) que llamaremos grupo B.

Las Figura 11 presenta sta divisin y las lneas de tendencia y ecuaciones que

representan a cada grupo de datos, cabe hacer notar que para el grupo A, la

ecuacin ms propia es una cbica y para el grupo B es una lnea recta.

Las ecuaciones son:

GRUPO A:

= 0.00193 0.12 + 2.0263 0.0682 (1.10)

GRUPO B:

= 0.3589 +6.6144 (1.11)

Donde W es el peso en gramos y P es el valor decimal de la palabra digital. Estas

ecuaciones son el modelo que andbamos buscando, en donde la ecuacin (1.10)

es para cuando la palabra digital es menor a 25 (valor decimal) y (1.11) lo es

cuando es mayor a 25.

El diagrama de flujo del algoritmo se muestra en la Figura

CONCLUCIONES

A travs del desarrollo de este trabajo, se puso en prctica los diversos

conocimientos adquiridos del curos Instrumentacin y Mediciones.

Se logr profundizar los conocimientos en torno a las galgas

extensiomtricas y a lo que se refiere el puente de Wheatstone.

En primera medida, como sensor inicial, utilizamos la galga para generar un

cambio de en el valor de la resistencia la cual nos generara una variabilidad

de datos en el sistema de visualizacin, esta galga para la simulacin se

encuentra representada con una resistencia variable tal como un

potencimetro, lo cual genera un cambio variable de voltaje en la salida.

Los amplificadores operacionales en sus configuraciones bsicas

(inversora, no inversora, amplificadora, conversor de corriente a voltaje,

etc.), son usados para garantizar que al conversor A/D le sea suministrado

el rango mximo de voltaje y as el mismo pueda dar el mayor nmero de

combinaciones posibles.

La finalidad del uso del conversor A/D, se define como un dispositivo

electrnico el cual convierte la seal elctrica continua que se genera desde

el puente de Wheatstone y los amplificadores y la convierte en un cdigo

digital equivalente para el muestreo.

Se puede evidenciar por medio de un video y simulaciones paso a paso el

desarrollo de este ejercicio planteado por la gua de actividades.

Cabe concluir, que con el problema planteado y desarrollado, se obtuvo una

mejor comprensin en el momento de realizarlo.