Laboratorio de Electrónica III, Departamento de Electrónica, UNET.

Integrantes: Carlos E. Prato G. CI. 21219258.

Franklin Santander CI. Cedula.

Profesor: José Nuzzolillo. Sección: 04. Mesón: 05.

Informe: Elaboración de un Detector de Humedad Relativa:

Introducción:

El detector de humedad relativa por capacitancia es un dispositivo practico, que puede usarse para detectar la humedad relativa alrededor de las plantas y asegurarse de que tengan el agua necesaria o bien si se quiere que un lugar este lo suficientemente seco, como por ejemplo en lugares donde se lleva acabo algunos procesos industriales, entre otras aplicaciones. Hay métodos más sofisticados de mediciones de HR pero el capacitivo tiene como ventaja que puede medir sin problema a altas temperaturas y tiene buena sensibilidad para bajos niveles de HR ya que provee una velocidad de respuesta relativamente alta. Para este proyecto se construye un detector de HR con base a un sensor capacitivo HS1101, el cual utilizando diferentes componentes electrónicos se permite observar los valores medidos por el sensor capacitivo a tiempo real, además de activar una alarma a cierto nivel determinado por el usuario.

La elaboración del proyecto se divide en 2 etapas, la primera etapa consiste en obtener un rango de valores en voltaje a medida que la capacitancia del sensor de HR varia, la segunda etapa consiste en tomar ese rango de voltaje interpretarlo y poder mostrarlo en números del 0 al 100 visibles al usuario, al igual que también poder activar una alarma a cualquier nivel de HR elegido (set point).

Para la primera etapa se utilizan los integrados IC555 y LM2907, el cual con una configuración adecuada de cada uno de ellos se permite obtener el valor en voltaje con un rango muy amplio de valores y de manera eficaz. Para la segunda etapa se utiliza el uC PIC16F877A, el cual se utiliza para interpretar los valores de voltaje y poder mostrarlos en 2 display de 8 segmentos, También para esta etapa se usa un comparador de voltaje LM311 que permitirá activar un LED cuando HR llegue a cierto nivel.

Objetivo general: Elaborar un circuito que permita obtener el nivel de humedad relativa en el ambiente y activar una alarma a un nivel específico de humedad.

Fundamentos teóricos:Humedad Relativa:

En este caso el valor físico a medir es la humedad relativa, el cual se define como la relación entre la cantidad de vapor de agua en el aire y la que tendría si estuviera completamente saturada, se puede obtener por la siguiente ecuación:

En donde: HR: humedad Relativa. [%] P(H2O): Presión del vapor de agua en el aire. [Pa] P*(H2O): Presión de saturación del agua a la temperatura del aire. [Pa]

Cabe destacar que la presión depende de la temperatura como lo demuestra la ley de gases ideales PV=RTn.

Por lo que, la cantidad de vapor de agua que puede adsorber el aire va a depender de la temperatura, mientras la temperatura es mayor mas vapor de agua admite, por lo tanto a menor temperatura menos vapor de agua puede adsorber el aire.

La presión de saturación es el punto Cuando el aire se satura de vapor de agua, desprendiendo el vapor que le sobra de forma de roció o de precipitación, a esto se le llama punto de roció. El aire al no poder admitir más vapor de agua se produce la condensación, pudiéndose notar cuando aparece un roció en el vidrio o en las hojas. Y que de acuerdo a la fórmula de %HR en este punto se está a un 100% de Humedad Relativa.

Para poder cumplir con el objetivo general del proyecto y obtener los datos de la humedad relativa con el menor margen de tolerancia posible y con componentes adquiribles y de bajo costo, se utilizan los siguientes integrados: el temporizador IC 555, convertidor frecuencia a voltaje LM2907, comparador de voltaje LM311 y un microcontrolador PIC16F877A. El sensor de HR utilizado es el HS1101.

Sensor de humedad Relativa HS1101:

Este sensor de humedad está basado en una célula capacitiva, es practico pequeño y fácil de manejar, con una respuesta rápida y no tiene problemas al entrar y salir de saturación. Este sensor es un capacitor especial que utiliza como dieléctrico el aire, el cual al cambiar su humedad varía la capacitancia, el error típico de los sensores capacitivos va entre 3% HR Está diseñado para obtener valores exactos a condiciones estándar, entre temperaturas de -40°c y 60°c.

Figura 1. Rango de operación del sensor.

En la siguiente imagen se muestra la función entre %HR y Capacitancia del sensor.

Figura 2. Curva Capacitancia Vs %RH a T=25°c, F=10Khz

Configuración del Temporizador IC 555:

Se utiliza un circuito estable con el IC555, que produce una secuencia de pulsos cuya frecuencia va a depender de R1, R2 y C. el diodo permite que el capacitor solo se cargue por R1 y descargue por R2, entonces al utilizar una R1=R2 el duty cicle es del 50%.

Figura 3. Configuración del IC 555 duty cicle 50%.

En el diagrama de la figura 3. El capacitor C es el sensor de HR por lo que la frecuencia del tren de pulsos va a variar dependiendo de la capacitancia del sensor y se regirá por la siguiente formula:

Convertidor de Frecuencia a voltaje LM2907:

Este integrado puede convertir frecuencia a un rango de voltajes altos, es fácil de usar y calcular.

En el mercado se puede conseguir 2 tipos de empaquetado del LM2907, el que se consigue comúnmente es el de 14 pines, pero fácilmente se puede trabajar como el encapsulado de 8 pines siguiendo la conexión de la siguiente imagen.

Figura 4. Similitudes del empaquetado de 8 pines con la de 14 pines.

En la siguiente imagen se muestra el integrado con la configuración y una gráfica de frecuencia vs Voltaje.

Figura 5. LM2907N con su función de trasferencia Khz vs Volts.

En la figura 5 se puede observar la ecuación del Vo en función de la Fin, siendo casi lineal.

Comparador de Voltaje LM311:

El LM311 es un comparador de voltaje muy rápido y efectivo, el cual contiene internamente un Amp. OP. Y un transistor que permitirá elevar el voltaje lo suficiente para activar un diodo LED.

Figura 6. Configuración con resistencia en colector LM311.

Como se muestra en la figura 6. RL es la resistencia que permite regular el Vo cuando el transistor entra en saturación y donde Vp y Vn son los voltajes que se compararan para activar el LED.

Microcontrolador PIC16F877A:

La ventaja de usar el PIC16F877A es que al tener un ADC de varios canales se podrá programar el uC para que muestre los voltajes en 2 display de 8 segmentos en tiempo real. Por lo tanto podremos leer el voltaje de salida del LM2907N, el cual llevándolo a un rango de 100 valores de podrá leer el %HR y adicionalmente se configurara otra ADC para poder leer el %HR al que se quiere que la alarma se active al momento de presionar un pulsador.

Conversión Analógica-Digital:

Hay que tomar en cuenta al momento de programar el ADC en el uC que para hacer los cálculos se utiliza una resolución digital de 10 bits, el cual permitirá tomar 1024 valores en un rango de voltajes entre 0v a 5v.

Figura 7. Función de transferencia de un ADC de 3bits.

Pero voltaje obtenido por la segunda etapa no se encuentra entre 0 y 5 voltios, por eso se tendrá que hacer una regla de 3 para obtener los valores deseados y verificar la resolución para obtener una medida óptima, el cual se puede obtener por la siguiente ecuación:

En donde: Vref= Vmin – Vmax.

Por lo que, Vmin es el voltaje Vout que consideramos como 100% de Humedad relativa y Vmax es el Vout para 0% de Humedad relativa.

Diagrama de bloques y Funcionamiento:

En la Figura 8 se observara el diagrama de bloques, el cual se divide en 2 etapas, la primera etapa convierte la variación de capacitancia obtenida por el sensor en variación de voltaje. La segunda etapa hace una Conversión analógico-digital para mostrarlo en un display 8 segmentos. El Switch representa el canal que el uC escoge para hacer el ADC, es decir, el usuario por medio de un Swith escogerá que HR quiere que muestre el display, si el medido por el sensor o la HR a la que se quiere que se active la alarma.

Figura 8. Diagrama de bloques.

Software de simulación a utilizar:

Para simular el circuito se usa Proteus 8 Professional, se decide utilizar este simulador porque tiene una gran librería de integrados para poder simular, teniendo el LM2907N, NE555, PIC16F877A, LM311. Además que se encuentra una amplia información de este simulador.

También se puede configurar el PIC16F877A con programación en CCS, lo cual es indispensable en el proyecto para mostrar los valores de HR.

El lenguaje de programación a utilizar es el CCS, ya que es sencillo aplicar, se escribe en el programa PIC C compiler, teniendo como ventaja que es compatible con Proteus 8 Professional.

Cálculos del circuito diseñado:

1 Etapa:

Figura 9. 1 Etapa simulada en Proteus.

De acuerdo la figura 2. Se obtiene los siguientes valores:

%RH C[pF]0 16350 178100 200

Calculando F de salida del NE555: (asumiendo R1=R2=R=1,33M)

Para C=163pF: f=1.44

2xRxC= 1.44

2 x1.33Mx 163 p=3.321KHz

Para C=200pF: f=1.44

2xRxC= 1.44

2 x1.33Mx 200 p=2.7KHz

Calculando Vout de salida del LM2907N:

Para C=163pF: Vout=Vcc.R.C1.f = (9)(111k)(1n)(3.32k) = 3.31v

Para C=200pF: Vout=Vcc.R.C1.f = (9)(111k)(1n)(2.7k) = 2.69v

En la siguiente tabla se agruparan los valores Calculados teóricamente, tomados de simulación y por medición, de la frecuencia y Vout.

RH [%] C [pF] F [KHz] Vout [v]Valores Calculados Teóricamente:

0 163 3,321 3,31100 200 2,70 2,69

Valores Tomados de la simulación en proteus:0 163 3,33 5,27

100 200 2,72 4,27Valores medidos del circuito:

0 3100 2,35

En la tabla se puede notar que los valores de frecuencia concuerdan tanto los calculados teóricamente como en proteus, pero los valores de voltaje de salida tienen un margen de error del 43% entre los calculados y los tomado en simulación, no se encontró solución para este error de simulación, como se puede observar lo tiene el integrado LM2907 de proteus, esto conlleva a que no se puede usar ese voltaje Vout en la simulación en el uC PIC16F77A ya que implicaría reprogramar el código parcialmente, una de las razones es que sobrepasa los 5v el cual es el valor de referencia que tomamos para el ADC, esto hace también que se tenga que cambiar los voltajes de referencia que se le proporciona al uC.

Por esto, solo para la simulación en proteus y observar el uC trabajando sin alterar el código en CCS, se colocara un potenciómetro que simule los valores de 3V a 2,35v que debería tener el Vout.

Por otro lado, los valores calculados teóricamente y medidos del Vout tuvieron un error del 9% es decir que estuvieron muy cerca y son aceptables.

Como se muestra en la figura 9 el circuito de la etapa 1 hubo que corregir el tren de pulsos que proviene del NE555 ya que presenta un nivel DC, y el LM2907 necesita una señal centrada en el eje x, para esto se coloca un capacitor de 1nF, dando como resultado una señal rectangular sin nivel DC.

Señal con Nivel DC Señal sin nivel DC

2 Etapa:

Figura 10. Simulacion en proteus Etapa 1 en rojo, Etapa 2 en azul.

El Vref que el usuario ajusta para colocar un nivel de referencia y encender la alarma se proporcionara por medio de un potenciómetro que deberá tener un voltaje de salida igual al que proporciona el sensor, para esto se hicieron los siguientes cálculos:

Para 0%: Vout = 2.35v i=2,65R1 ; 5=i(R13+R14)

Para 100%: Vout = 3v i=3R1 ; 5=I (R13+R14+10k)

Sustituyendo se resuelve el 4x4 dando como resultado:

R1 = 16.30k (valores comerciales= 15k+1.2k)

R2 = 14.45k (valores comerciales= 12k+2.2k+200)

Programación en CCS del PIC168F77A:

Para poder leer los valores obtenidos del ADC se utiliza el comando q=read_adc(); el cual almacena en la variable “q” el valor digital en decimal. Debemos recordar que se utiliza una resolución de 10bits y que el Vref es de 5v a 0v. Pero el rango de voltaje que leerá el uC es de 2,35v a 3v por esto es necesario llevar esos valores de voltaje a un rango de 0-100 numeros. Para esto se aplica:

Si 5v 1024 entonces 2,35v 480 y 3v 613.

Por lo tanto: aux=q−480

613−480∗100

La técnica para mostrar los valores de 0 a 99 en los display de 8 segmentos es guardar lo que representa los números del 0 al 9 en un vector para luego solo escoger la posición e imprimir.

Para sacar cada número en digital se tiene que hacer una tabla:

CATODO COMUN: CC.

Numero B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 DECimalG F E D C B A

0 0 1 1 1 1 1 1 631 0 0 0 0 1 1 0 062 1 0 1 1 0 1 1 913 1 0 0 1 1 1 1 794 1 1 0 0 1 1 0 1025 1 1 0 1 1 0 1 1096 1 1 1 1 1 0 0 1247 0 0 0 0 1 1 0 078 1 1 1 1 1 1 1 1279 1 1 0 1 1 1 1 111

Lista de componentes e instrumentos del laboratorio:

Instrumentos del laboratorio:

Fuente variable de voltaje para proporcionar 9v DC y 5v DC.

Lista de componentes:

Integrados: 1 x LM311, 1 x LM2907N, 1 x NE555.

Sensor: 1 x HS1101

Microcontrolador: 1 x 16F877A

Diodo: 1 x 1N4004

LED: 1 x LED rojo.

2 x Display 8 segmentos Catodo común.

Transistores: 2 x 2N222

1 x Potenciómetro de 10k.

Capacitores: 3 x 1nF, 1 x 0.47uF, 1 x 10uF, 2 x 21pf.

2 x Pulsadores.

Resistencias: 2x 1k, 3x 10k, 1x 91k, 2x 1,3M, 2x 500, 1x 111k, 8x 200, 1x 15k, 1x 1.2k, 1x 12k, 1x 2.2k.

1 x cristal de 4MHz.

Bibliografía: