PRENSA HIDRÁULICA CON ALTA SENSIBILIDAD DE PRESIÓN Enrique Samuel Carbajal Abud
[email protected]
RESUMEN
En la actualidad existe una gran variedad de prensas hidráulicas para uso industrial y su aplicación es común en trabajos de alto volumen en los procesos de manufactura, como ensamble de rodetes a los ejes de los motores, compresión de láminas, en la industria automotriz, oprimir los ejes a bombas de agua y en la industria aeronáutica entre otras aplicaciones; sin embargo, es necesario el uso de alta sensibilidad y precisión para realizar trabajos en los que la presión sobre los materiales frágiles necesite estar bien controlada para evitar dañarlos. En este caso se realiza la automatización y control de una prensa hidráulica hidráulica programable a distintos niveles de presión para lograr trabajos en los que no se requiera de tanta fuerza, sino más bien sensibilidad y precisión, como sucede en trabajos de remache o deformación materiales frágiles que no soporten más que cierta cantidad de presión.
DIAGRAMA A BLOQUES DEL CIRCUITO
Fig. 1 Diagrama a Bloques del Circuito El propósito del proyecto es mejorar las prensas hidráulicas, hacerlas más precisas, seguras y que trabaje de manera automática. Facilita la manera de hacer las lecturas de presión, ya que estas aparecen en un display LCD controlado por un microcontrolador. Para lograr la precisión requerida se hace uso de la galga extensiométrica FlexiForce de precisión. Durante el desarrollo del proyecto se detalla el diseño y el modo de funcionamiento f uncionamiento de la prensa, se muestra la forma en que se acondicionan las señales, los tipos de sensores y componentes que se utilizan, así como las conclusiones y problemas que se presentan para la realización del proyecto. Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068, 206192 068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 1
Una prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. En el siglo XVII, en Francia, el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente a todas direcciones. Gracias a este principio se obtienen fuerzas grandes utilizando otras relativamente pequeñas. Uno de los aparatos comunes para alcanzar lo anteriormente mencionado es la prensa hidráulica, la cual está basada en el principio de Pascal. El rendimiento de la prensa hidráulica guarda similitudes con el de la palanca, pues se obtienen presiones mayores que las ejercidas pero se aminora la velocidad y la longitud de desplazamiento, en similar proporción. Al aplicar una fuerza sobre el pistón de menor área se genera una presión
Del mismo modo en el segundo pistón:
Y por el principio de Pascal, la presión en los dos pistones es la misma, por tanto se cumple que:
Esto es:
La fuerza resultante de la prensa hidráulica es:
En donde: = Fuerza del pistón menor = Fuerza del pistón mayor = Área del pistón menor = Área del pistón mayor Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 2
Fig. 2 Relación de Áreas y Fuerzas Un dispositivo para la determinación de deformaciones es el “deformímetro de resistencia” que se conoce como “galga extensiométrica”. La propiedad para medir deformaciones es la resistencia eléctrica de un cable, ya que ésta depende de la deformación axial del cable .
Fig. 3 Detalle de una galga extensiométrica La resistencia de un conductor de sección uniforme está dada por:
Donde: R = Resistencia en Ohms (O). L = Longitud del conductor. A = Área transversal del conductor. ? = Resistividad (propiedad del material, depende de la temperatura). Si un alambre recto se estira elásticamente, la longitud aumenta y la sección transversal se reduce por el efecto de Poisson. De la ecuación (6) se observa que ambos efectos son aditivos y causan que la resistencia aumente, y permanece la resistividad constante. El término Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 3
“sensibilidad de elongación” sirve para expresar el cambio de resistencia de un conductor en relación con el cambio de longitud que lo causa, es decir:
La sensibilidad de elongación de un conductor metálico depende en gran parte de las características de la aleación en particular: trabajo en frío, nivel de impurezas en la aleación y el rango de deformaciones sobre el que se mide. El cambio de resistencia en un material que se somete a una deformación es consecuencia de la combinación de dos factores: por un lado, el área transversal a la conducción eléctrica varía y, por otro, el propio cambio de la resistividad del material. En general, la deformación produce un incremento en el valor de la resistencia. Para conseguir la máxima modificación en el valor de la resistencia con deformaciones pequeñas, la galga extensiométrica tiene la forma típica de “parrilla”. La razón de cambio en la resistencia debido a la deformación se denomina parámetro y viene dado por:
Para detectar cambios extremadamente pequeños en la resistencia eléctrica se forma un puente de Wheatstone con una o más galgas extensiométricas a partir del experimento a llevar a cabo. Este puente se alimenta con una fuente de alimentación de corriente continua y las diferencias de tensión se amplifican en los amplificadores operacionales oportunos y luego presentadas a lectura. En la Figura 4 se muestra la conexión de un circuito puente con una galga. La galga se sitúa en una de las ramas del puente. La resistencia en la rama inferior se selecciona de manera que sea igual a la resistencia de la galga cuando no tiene presión . Las dos resistencias restantes del puente se escogen iguales .
Fig. 4 Puente de Wheatstone con Galga Extensiométrica Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 4
Sin embargo las galgas extensiométricas presentan considerables cambios en su resistencia por efectos de la temperatura, es por eso que en el puente de Wheatstone se utiliza una galga extra y del mismo valor que la galga que cambia con la presión, ya que de esta manera la temperatura afecta a las dos galgas por igual y el puente sigue balanceado a pesar de los cambios térmicos.
Fig. 5 Gráfica de Esfuerzos Contra Deformaciones Para el desarrollo de la prensa hidráulica con alta sensibilidad se hace uso de de la galga extensiométrica FlexiForce de alta sensibilidad y precisión que se muestra en la Figura 6.
Fig. 6 Galga Extensiométrica FlexiForce de Alta Sensibilidad y Precisión En la hoja de datos del fabricante de la galga FlexiForce se proporciona la gráfica de los cambios de resistencia a partir de la fuerza aplicada (Figura 7).
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 5
Fig. 7 Gráfica de Resistencia contra Fuerza de Galga FlexiForce Se hace la implementación del puente de Wheatstone para medir los cambios que sufre la galga extensiométrica al someterse a cierta presión; es decir, la galga se encuentra situada en el brazo de la prensa hidráulica que ejerce presión sobre los objetos, y de esta manera su deformación causa una perturbación en el puente, y cambia así los valores de voltaje.
Fig. 8 Prensa Hidráulica con Galga Extensiométrica Una vez que se implementa el puente de Wheatstone se hace un acondicionamiento de señal, puesto que los cambios de voltaje que causa la perturbación del puente son pequeños y es necesario amplificar dichos cambios para manejarlos de manera más cómoda. Para lograr la etapa de amplificación, se utiliza el amplificador de instrumentación, el cual utiliza tres amplificadores operacionales.
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 6
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 741 Un amplificador operacional (A.O. habitualmente llamado Op-Amp) es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):
Fig. 9 Diagrama a bloques y de Pines del Amplificador Operacional 741 El amplificador de instrumentación se usa para medir voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común más grande que la tensión diferencial, también se le conoce como amplificador de puente. El voltaje se salida del amplificador de instrumentación que se muestra en la Figura 10 está dado por:
De la ecuación (10) se deduce que con , y se obtiene una ganancia de 10 puesto que , lo cual resulta favorable para el manejo de la señales ya que ahora se trabajará con Volts en vez de mili – Volts.
Fig. 10 Diagrama Eléctrico de Puente de Wheatstone y Amplificador de Instrumentación Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 7
Una vez que se cumple con la etapa de amplificación, se procede a la digitalización para utilizar el microcontrolador AT89S52, con el cual se interpretan las diferencias de voltaje como diferencias de presión sobre la galga, y de esta manera visualizarlas en un display LCD para obtener una mejor lectura y de mayor confiabilidad. Para la digitalización de la señal analógica se utiliza un convertidor Analógico-Digital
EL CONVERTIDOR ANALÓGICO/DIGITAL ADC0804 Un convertidor analógico-digital (ADC) es un dispositivo electrónico que convierte un voltaje específico en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar señales análogas a digitales. Estos convertidores poseen dos señales de entrada llamadas Vref+ y Vrefy determinan el rango en el cual se convierte una señal de entrada. El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) a partir de su resolución. Esta resolución se conoce, siempre y cuando se conozca el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. La resolución del convertidor se determina mediante:
Fig. 11 Diagrama de Pines y Conexionado del Convertidor ADC0804 Como el voltaje de salida máximo de la etapa de amplificación es de 5 Volts y el convertidor es de 8 bits, se calcula la resolución del ADC con la ecuación (11) de la siguiente manera: Al utilizar tres presiones diferentes, en el convertidor analógico – digital se observaron los siguientes resultados. Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 8
Presión (Kg) 5.35 8.26 14.33
Número Binario 001000 010000 100000
Número Decimal 8 16 32
Una vez que se tienen los resultados de los números binarios que proporciona el ADC en correspondencia con las diferentes presiones en la galga, es posible utilizar el microcontrolador para que muestre el nivel de presión en un display LCD. Se tiene en cuenta que la prensa hidráulica no debe arrancar hasta que se seleccione una de las tres presiones y que se haya dado la orden de arranque. Se utiliza un selector de tres posiciones y se diseña un arreglo de lógica combinacional para seleccionar una de las presiones deseadas, además de cumplir las especificaciones antes descritas.
LA COMPUERTA NOT 74LS04 Realiza la función booleana de inversión o negación de una variable lógica. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NOT es:
Fig. 12 Diagrama de Pines y Tabla de Verdad de CI 74LS04 (NOT)
LA COMPUERTA AND 74LS08 Realiza la función booleana de producto lógico. Su símbolo es un punto (·), aunque se suele omitir. Así, el producto lógico de las variables A y B se indica como AB, y se lee A y B o simplemente A por B. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta AND es:
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 9
Fig. 13 Diagrama de Pines y Tabla de Verdad de CI 74LS08 (AND)
LA COMPUERTA OR 74LS32 Realiza la operación de suma lógica. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta OR es:
Fig. 14 Diagrama de Pines y Tabla de Verdad de CI 74LS32 (OR) EL LATCH SR 74LS279 Un latch es un circuito electrónico que se usa para almacenar información en sistemas lógicos asíncronos. Un latch almacena un bit de información. Los latches se agrupan en múltiples, existen latches que tienen nombres especiales, como por ejemplo el 'latch quad' (que almacena cuatro bits) y el 'latch octal' (ocho bits). Los latches son dispositivos biestables que no tienen entrada de reloj y cambian el estado de salida solo en respuesta a datos de entrada.
Fig. 15 Diagrama de Pines y Tabla de Verdad de CI 74LS279 (Latch SR) Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 10
Fig. 16 Diagrama Eléctrico de ADC y Lógica Combinacional En la Figura 16 se muestra la lógica combinacional que cumple con el diseño deseado, donde las compuertas AND (C, B y A) son las que determinan cuando la galga ha alcanzado el nivel de presión 1, 2 ó 3 respectivamente. El Latch SR determina el estado del motor; es decir, cuando está en SET el motor arranca y la prensa comienza a ejercer presión, y cuando está en RESET el motor se detiene porque la prensa alcanza el nivel de presión seleccionado. Las compuertas OR (G e I) junto con la compuerta AND (K) se encargan de mantener apagado el motor de la prensa siempre y cuando no se seleccione el nivel de presión con el selector. Una vez que se selecciona uno de los niveles de presión, el motor arranca con el push-button, y las compuertas AND (D, E, F), las OR (H, J) junto con el inversor (L) se encargan de poner en RESET al Latch y por lo tanto se detiene el motor cuando se alcanza la presión del selecto. Para hacer más fácil la lectura de presión se utiliza el microcontrolador AT89S52, el cuál controla a un display de LCD y muestra la presión seleccionada.
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 11
EL MICROCONTROLADOR AT89S52 El AT89S52 es un microcontrolador de 8 bits con tecnología CMOS de bajo consumo de energía y alto rendimiento. Tiene tecnología de memoria ATMEL y es un dispositivo poderoso para aplicaciones y soluciones de control embebido.
Características Principales • • • • • • • • • • • •
8 Kbytes de In-System Programmable Rango de operación de 4 a 5.5V Operación de 0 a 33MHz Tres niveles de protección de memoria 256 x 8 bit de RAM interna 32 líneas programables de I/O Canal serial UART full dúplex Tiempo de programación rápido Apuntador de datos Dual Timer Watchdog Tres Temporizadores/Contadores de 16 bits Modo de operación Low-Power Idle y Power-down
Fig. 17 Configuración de Pines y Diagrama a Bloques del AT89S52 Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 12
El LCD usa el protocolo estándar HD44780U, y se controlará cada una de sus funciones con el microcontrolador AT89S52. A continuación se muestra el diagrama de flujo del control del display. Inicio Config de Puertos Tabla de Datos Config. de LCD NO P0.3 = 0 SI P0.4 = 0 NO
Mostrar “Presión de 5.35Kg” SI P2.1 = 0
SI P0.5 = 0
Mostrar “Presión de 14.33Kg” SI
NO SI
Mostrar Mostrar “Selecciona Presión” “Presión de 8.26Kg”
NO P2.3 = 0
NO
SI P2.2 = 0 NO
Mostrar “Terminado”
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 13
MOV MOV MOV MOV
DPTR,#TABLA P0,#00H P1,#00H P2,#00H
MOV MOV MOV
R5,#206 R6,#78 R7,#1
MOV MOVC SETB MOV CALL CLR CALL INC CJNE JNB CALL
A,R0 A,@A+DPTR P0.0 P1,A DELAY P0.0 DESPLEGAR R0 R0,#23,PRES2 P2.2,AUX2 FIN
PREG2:
JNB
P0.5,SELECT
AUX3: PRES3:
MOV CALL SETB MOV MOVC SETB MOV CALL CLR CALL INC CJNE JNB CALL
R0,#24 IGUAL P0.1 A,R0 A,@A+DPTR P0.0 P1,A DELAY P0.0 DESPLEGAR R0 R0,#30,PRES1 P2.3,AUX3 FIN
MOV SETB MOV MOVC SETB MOV CALL CLR CALL INC CJNE
R0,#00H P0.1 A,R0 A,@A+DPTR P0.0 P1,A DELAY P0.0 DESPLEGAR R0 R0,#09,IGUAL1
MOV
R0,#31
SETB MOV MOVC SETB MOV CALL CLR CALL INC CJNE AJMP
P0.1 A,R0 A,@A+DPTR P0.0 P1,A DELAY P0.0 DESPLEGAR R0 R0,#44,SELECT1 INICIO
MOV SETB MOV
R0,#45 P0.1 A,R0
MOVC
A,@A+DPTR
ALLA: DJNZ R5,ALLA DJNZ R6,ALLA DJNZ R7,ALLA NOP AJMP INICIALIZAR INICIALIZAR: SETB MOV CALL CLR CALL
P0.0 ;FUNCTION SET P1,#038H DELAY P0.0 DELAY
SETB MOV CALL CLR CALL
P0.0 ;ENTRY MODE SET P1,#06H DELAY P0.0 DELAY
SETB MOV CALL CLR CALL
P0.0 ;DISPLAY ON P1,#0CH DELAY P0.0 DELAY
SETB MOV CALL CLR CALL
P0.0 ;CLEAR DISPLAY P1,#01H DELAY P0.0 DELAY
IGUAL: IGUAL1:
INICIO: JNB
P0.3,PREG1
AUX1: MOV PRES1: CALL SETB MOV MOVC SETB MOV CALL CLR CALL INC CJNE JNB CALL
R0,#10 IGUAL P0.1 A,R0 A,@A+DPTR P0.0 P1,A DELAY P0.0 DESPLEGAR R0 R0,#16,PRES1 P2.1,AUX1 FIN
SELECT:
PREG1: JNB
P0.4,PREG2
FIN: FIN1:
AUX2: MOV PRES2: CALL SETB
R0,#17 IGUAL P0.1
SELECT1:
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 14
SETB MOV CALL CLR CALL INC CJNE AJMP
P0.0 P1,A DELAY P0.0 DESPLEGAR R0 R0,#53,FIN1 INICIO
MOV MOV MOV
R5,#224 R6,#7 R7,#1
DJNZ DJNZ DJNZ NOP RET
R5,AQUI R6,AQUI R7,AQUI
DELAY:
AQUI:
DESPLEGAR: MOV MOV MOV ACA: DJNZ DJNZ DJNZ NOP RET TABLA: DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB
'P' 'R' 'E' 'S' 'I' 'O' 'N' ' ' 'D' 'E' '5'
R5,#137 R6,#195 R7,#1 R5,ACA R6,ACA R7,ACA
DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB
'.' '3' '5' 'K' 'g' ' ' '8' '.' '2' '6' 'K' 'g' ' ' '1' '4' '.' '3' '3' 'K' 'g' 'S' 'E' 'L' 'E' 'C' 'T' ' ' 'P' 'R' 'E' 'S' 'I' 'O' 'N' 'T' 'E' 'R' 'M' 'I' 'N' 'A' 'D' 'O'
Por último se diseña la interfaz de potencia con la cual se controla el motor de la prensa hidráulica, por lo cual se utiliza un amplificador de corriente con un transistor, el cuál acciona el relevador que se encarga de apagar o encender el motor de la prensa. EL TRANSISTOR 2N3904 El 2N3904 es un transistor BJT NPN de propósito general, y se usa para amplificaciones de baja potencia o como switch. Opera a gran velocidad
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 15
Fig. 18 Configuración de Pines del Transistor 2N3904 Para el diseño se utiliza al transistor 2N3904 como un switch que acciona el relevador cuando la base se polariza con la salida Q del Latch; es decir, cada vez que el Latch se encuentra en SET, la salida Q está en alto y por lo tanto polariza la base del transistor, con lo que la bobina del relevador está a Vcc y a tierra a través del transistor. De esta manera se acciona el relevador, se cierra el contacto normalmente abierto y el motor de la prensa hidráulica se enciende. Y cuando del Latch se encuentra en RESET, el transistor no se polariza, el relevador no se acciona y por lo tanto el motor está apagado.
Fig. 19 Diagrama Eléctrico de Interfaz de Potencia De esta manera se tiene terminado el diseño de la prensa hidráulica de alta sensibilidad y precisión. En la Figura 20 se muestra el diagrama eléctrico del circuito final, así como el conexionado del microcontrolador con el display LCD.
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 16
VCC VCC
5V 5V
15MO Key=A
R6
7
R7
15MO Key=A
1
U19
5
3 6 2
R13
R18
1kO
10kO
50%50% 741
4
R4 5kO R1 500kO
4
R3 500kO
U21 A1
2 Vin
6
R11 5kO
D0 D1
3 7
1
5
D2
741
VCC
D3
5V R12 U20 5kO
4
2
VCC
D4 D5 Vref+
5V
D6 Vref-
R14
R20
1kO
10kO
D7 SOC
6 3
OE
EOC
U16
ADC 7
1
5
741
VCC 5V VCC
VCC 5V
VCC
VCC 5V
5V VCC
X1 K
R19 1kO
R9 1kO
J2
5V VCC
Key = Space RELAY_NO U7A M
S1 MOTOR
Q1 U1A 7408J
V1 120 Vrms 60 Hz 0°
2N3904
7432N
U9A
U6A
7408J
7432N
U8A
U4 U13A Q
S
~Q
R
SR_FF
U5A
7408J
U12A
C N P 9 8 0 1 2 3 4 5 6 7 G 5 4 3 2 1 0 C E P A A D D D D D D D D O 1 1 1 1 1 1 V S V 1 0 A A A A A A A A R A A A A A A P A B B 0 1 2 3 4 5 6 7 P 7 6 5 4 3 2 E 2 2 B B B B B B B B E B B B B B B P P 0 0 0 0 0 0 0 0 L 2 2 2 2 2 2 P P P P P P P P A P P P P P P
7408J
5V
U14 8051
U10A
7432N
U3A
7432N
7408J
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8
18 17 16 15 14 13 12 11
74LS245N
8 7 6 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1
7408J
U11A
R 1 2 3 4 5 6 7 8 I G A A A A A A A A D ~
U15 J3
7408J
VCC
VCC CRYSTAL_VIRTUAL 5V
5V
J1
U17 74LS245N
9 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1
VCC VCC
5V
1 2 3 4 5 6 7 8 B B B B B B B B X I O 0 1 E S S T T K D D 2 0 1 R D 2 O I C X X N N T T M M I I T T W R S R T 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 L L B B B B B B B B B B B B B B T B B A A D 1 1 1 1 1 1 1 1 S 3 3 3 3 3 3 3 3 T T N P P P P P P P P R P P P P P P P P X X G
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2
7404N
2 3 4 5 6 7 8 9
1 DIR 19 ~G
0 8 9 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2
U2A
C D C V N S W 7 6 5 4 3 2 1 0 V C G E R R D D D D D D D D
U18
5V 1kO R15
5V
1kO R16 1kO R17 Key = Space
Fig. 20 Diagrama Eléctrico de Circuito Final
RESULTADOS
El funcionamiento del circuito es sencillo, consta de una prensa hidráulica que tiene una galga extensiométrica de alta sensibilidad y precisión en la parte superior del brazo (en el área que ejerce presión). Cuando la galga sufre una pequeña deformación por la presión, el puente de Wheatstone implementado se perturba y se crea un voltaje diferencial el cual se amplifica 10 veces y se digitaliza por un ADC, de esta manera, los dígitos binarios se interpretan por un microcontrolador, y muestra el nivel de presión en un display LCD. Sin embargo, también se utilizaron otros circuitos integrados como el latch y compuertas lógicas para lograr la lógica combinacional necesaria que permite que el motor de la prensa no arranque sino hasta que se selecciona un nivel de presión y se presiona el botón de inicio. Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 17
El diseño es algo laborioso a causa del acondicionamiento correcto de las señales, como determinar la ganancia necesaria que debe de proporcionar el amplificador de instrumentación, el diseño digital de la lógica combinacional que determina cuando arranca o para el motor de la prensa hidráulica, y la programación del microcontrolador para que muestre en el display LCD el nivel de presión seleccionada. El circuito tiene ciertas deficiencias, como el número programable de presiones con alta precisión que se seleccionan, o la duración de la galga extensiométrica al someterse a presiones altas; sin embargo, si se realiza una tabla completa de medición de pesos contra deformaciones de la galga, es factible crear un modelo matemático bastante confiable que determina con alta precisión el nivel de presión. Si se quiere aumentar el tiempo de duración de la galga se tiene que adquirir una galga FlexiForce de alto rendimiento, lo cual aumenta el costo del circuito, por lo cual se optó por una galga extensiométrica más económica para el diseño. En general este circuito es útil en la industria para aplicaciones con la prensa hidráulica que necesiten de gran precisión, como remachar materiales que sean frágiles y se dañen si no se les aplica la presión correcta, además de que el diseño del circuito como su implementación es sencilla y de bajo costo.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] Página de Tekscan http://www.tekscan.com/flexiforce.html [2] PDF de Página Tekscan http://www.tekscan.com/pdfs/FlexiforceUserManual.pdf [3] Principio de Funcionamiento de la Prensa Hidráulica http://www.ib.edu.ar/bib2008/cd-ib/trabajos/Barrera.pdf [4] Página de Empresa FLUÍDICA, S.A, Prensas Hidráulicas http://www.fluidica.com/PrensasHidraulicas.htm [5] Wikipedia, La Enciclopedia Libre, Amplificador Operacional. 2008 http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional [6] Wikipedia, La Enciclopedia Libre, Conversor Analógico-Digital. 2008 http://es.wikipedia.org/wiki/Conversor_Anal%C3%B3gico_digital [7] Wikipedia, La Enciclopedia Libre, Puerta Lógica. 2008 http://es.wikipedia.org/wiki/AND [8] MACKENZIE, SCOTT , MICROCONTROLADOR 8051, Pearson, 2007 4° Edición [9] Página de hojas de datos diversas http://www.alldatasheet.com [10] Apuntes electrónica integrada, http://proton.ucting.udg.mx/materias/ET201/index.html [11] ARENY, PALLAS, Sensores y Acondicionamiento de Señal, ALFAOMEGA, 2001, Pág. 60 – 61
INDICE
1. RESUMEN ____________________________________________________ 2 1.1. Síntesis y Consecuencias___________________________________________ 3 2. ANTECEDENTES _______________________________________________ 3 2.1. Funcionamiento de la Prensa Hidráulica (Ecuaciones)_____________________ 4 DESARROLLO DEL TEXTO ______________________________________ 5 2.2. La galga Extensiométrica___________________________________________ 5 Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 18
2.3.
Puente de Wheatstone_____________________________________________ 6 2.4. Deformación contra Fuerza y galga FlexiForce__________________________ 7 2.5. Prensa Hidráulica con galga Extensiométrica___________________________ 8 2.6. El amplificador de Instrumentación___________________________________ 9 2.7. El Convertidor Analógico-Digital ADC0804___________________________ 10 2.8. Digitalización de Pesos ____________________________________________ 11 2.9. Las Compuertas Lógicas NOT (74LS04) y AND (74LS08)________________ 12 2.10. La Compuerta OR (74LS32) y el Latch SR (74LS279) ___________________ 13 3.10. Lógica Combinacional____________________________________________ 14 3.11. El Microcontrolador AT89S52______________________________________ 15 3.12. Diagrama de Flujo_______________________________________________ 16 3.13. Código Fuente__________________________________________________ 17 3.14. El Transistor 2N3904_____________________________________________ 18 3.15. Interfaz de Potencia______________________________________________ 19 3.16. Diagrama Eléctrico de Circuito Terminado ____________________________ 20 3. RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES __________ 20 4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ________________________________ 21
Enrique Samuel Carbajal Abud, Código: 206192068,
[email protected] Proyecto: Prensa Hidráulica con Alta Sensibilidad de Presión Página 19
