Captulo 1

Sntesis terica previa a la elaboracin de la balanza electrnica.

En este captulo se aborda los conceptos y temas apropiados que permiten entender el

problema a solucionar, en este caso la elaboracin de un sistema automtico de pesaje

para un camal. Se ver primero los instrumentos, materiales, y la forma en la que se

desea trabajar para obtener los resultados que se van a plantear.

1.1 Modo de Operacin del este sistema:

Un camal es el lugar donde se sacrifica, y procesa la carne de cualquier tipo de ganado

para poderla comercializar en mercados o abarrotes. En Ecuador la mayora de camales

certificados pertenecen a los municipios por lo que algunos de estos se preocupan por

mantener los estndares de calidad e higiene.

Uno de los factores ms importantes en el proceso que se lleva a cabo desde que se

sacrifica la res hasta que se lo lleva al cuarto fro es el pesaje. Este trabajo suele ser muy

tedioso y pone en riesgo la calidad de la carne al ser manipulada para suspenderla con

un gancho, para pesarlo con una balanza de resorte vertical llamada Romana o sobre

plataformas de hierro adaptadas al piso las cuales se oxidan fcilmente. Tomando en

cuenta que la mayora de balanzas no son de materiales adecuados la carne muchas

veces se contamina. Muy pocos sistemas de pesado de estas dimensiones son

construidos con metales bio-compatibles o inoxidables, sin contar con la baja precisin

y exactitud de los mismos.

Procesamiento de la res

Retirar las partes innecesarias

del producto para pasar al

siguiente nivel

Pesado

Se Obtiene el Peso de la res

Generalmente en Kilos y luego se

empaca para

Pasar a refrigeracin.

Tarjeta de Comunicaciones

con la Computadora.

- Enva los datos a la PC por

medio del PIC 18F4550

Sacrificio de la Res

Se le da una descarga

elctrica muy fuerte al

ganado.

Figura 1. Diagrama del procesamiento de una res en un Camal

Luego del pesado la carne es suspendida con un colgante que tiene en un extremo un

gancho y un rodillo del otro para trasportarla sobre una riel que se encuentra a unos

centmetros del techo desde el cuarto de tratado hasta el cuarto Fro donde permanecer

hasta que sea comercializada. Tomando en cuenta todos estos problemas tcnicos he

pensado en desarrollar un sistema de pesaje automtico donde el operario que se

encarga de tratar a la res no tiene que manipular en lo absoluto la carne para obtener su

peso. Se ha diseado y construido un modelo porttil del sistema de automatizacin de

pesaje para dichos camales. El sistemas que se presenta en esta tesis es principalmente

una balanza electrnica construida con una celda de carga la cual nos entrega datos

exactos. Entonces, la balanza debe estar colocada adaptada a un segmento de la riel la

cual tendra dos cortes transversales muy pequeos los cuales permitirn que este

segmento quede suspendido pero sobre la balanza, de este modo cuando el colgante

pasa con el rodillo apoyado en la riel sobre este segmento, este se ejerce toda la presin

de la res en forma vertical sobre la balanza marcndome sta el peso de la res incluido

el colgante y el segmento de riel, pero estos valores luego son restados. Mientras el

rodillo est en el segmento de riel, una pantalla LCD est indicndome el peso en Libras

y Kilos actuales, estos datos deben ser anotados para saber cul es la res que fue pesada,

la fecha y el valor en Kilos, por lo tanto se dise un sistema que guarda el peso, hora y

fecha en una memoria de respaldo cuando el operario presiona un pulsante, pero estos

datos deben poder verse en algn instante as que existe un pulsante para ver los datos

almacenados. Aprovechando que tenemos un reloj funcionando continuamente existe un

tercer pulsante que en cualquier momento me permite ver la hora simplemente. Pero

ahora Qu pasa si estos datos son demasiados? Sera un trabajo muy tedioso pasar a

mano los datos visualizados en pantalla para luego volverlos a teclear en la

computadora del camal, por esto se ha implementado una comunicacin USB con la

computadora para permitir ver el peso en tiempo real as como guardar los datos en la

PC en cualquier formato texto y descargar los datos almacenados en dicha memoria de

respaldo la cual funcionara nicamente cuando el circuito est desconectado de la PC.

De este modo se ha automatizado el sistema de pesado permitiendo con menos trabajo y

ms higiene los datos necesarios del procesamiento de la carne. Ya en la computadora

un informtico deber encargarse de realizar un formulario, el sistema de factura y

dems atributos que sean necesarios pero la parte de implementacin que se presenta en

la figura 2 lo hace posible.

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1.1.1 Objetivos planteados y alcances del proyecto

La balanza electrnica es un sistema de automatizacin industrial, el cual permite:

1. Obtener el peso en formato digital de una balanza (Para esta tesis se pens en

un camal donde se transportan reces congeladas suspendidas sobre una riel,

pero podra tratarse de cualquier fbrica, bodega, tienda, ferretera, etc...)

Gracias a una estructura mecnica acoplada a una celda de carga.

2. Obtener la fecha y Hora en la que se tom la medicin.

3. Almacenar los datos en una Memoria de respaldo.

4. Conectarse a una computadora por medio de un perifrico USB.

5. Visualizar y almacenar los datos obtenidos por la balanza en la computadora

empleando Lab View .

6. Permitir descargar datos almacenados en la Memoria de respaldo.

El presente proyecto aborda el diseo y construccin de una balanza electrnica

dedicada al pesaje de reces en un camal, cuenta con funciones como mostrar el peso del

producto en libras - Kilos, la hora fecha y el almacenamiento de datos. Se tiene

adems una comunicacin USB con la computadora, para permitir la visualizacin de la

informacin en la pantalla.

El hardware de la balanza est compuesto por elementos que permiten la deteccin y

visualizacin del peso, adems de posibilitar funciones especiales como: encerado,

ingreso de hora y fecha actuales, cambio de unidades, ingreso de un cdigo de producto,

comunicacin USB con el computador para el envo del peso y la recepcin de la base

de datos de los productos.

El software del micro controlador y de la interfaz grfica del computador, procesan la

informacin del peso y la combinan con la base de datos de los productos para mostrar

el peso, hora y fecha.

Pesaje vertical en Libras\Kilos de reses para un Camal.

Este sistema cuenta con una celda de carga la cual no es mas que un transductor que

produce una pequea variacin de voltaje de acuerdo a la cantidad de presin que se

ejerce sobre la misma, esta seal elctrica es filtrada y amplificada en una primera fase.

Despus se toma esta seal y se la ingresa a un Microcontrolador el cual realiza la

conversin analgico digital, ejecuta los clculos, las operaciones, verificacin de hora

- Fecha y finalmente con una seal proveniente de un pulsante se almacenan los datos

(Peso, Hora, Fecha) bien sea en una memoria adicional conectada al Microcontrolador o

en el caso que el sistema est conectado con LabView mediante el cable USB

directamente se guardarn en la Computadora en una hoja de Excel.

1.1.2 Como se opera en un Camal

Se puede tener camales de diferentes tipos, para esta tesis se considera camales de

construccin en planta media, es decir que la capacidad de sacrificio de reces no sea

muy excesiva, es decir no mayor de 40 por da. Este factor se debe tomar en cuenta el

momento de elegir una celda de carga. Pero aparte de esto Cmo funciona un camal?,

se explicar el funcionamiento de un camal de cerdos tomando en cuenta que el

procedimiento es similar para los dems casos.

Figura 3. Planos de un Proyecto de ampliacin para un camal. (Planos del proyecto de

ampliacin del camal municipal del Sigsig aportados por el consejo municipal)

Un sistema tpico de cadena en un matadero de tamao mediano dedicado

exclusivamente a cerdos emplea a cinco hombres para conseguir una produccin de 40 a

50 canales de cerdo al da, matadero que est constituido por un pequeo corral con

cabida para seis a doce animales que se atrojan individualmente en el establo por medio

de pinzas elctricas y que luego se izan rpidamente por medio de un elevador de

tornillo o cadena de Arqumedes colocado sobre un carril a aproximadamente 3,20 m de

alto para avanzar hacia y por encima de la cubeta para sangre. A continuacin los cerdos

se arran hasta una cisterna de metal que contiene agua a entre 62 C y 65 C donde se

sumergen completamente durante tres a seis minutos; una pequea cisterna de

aproximadamente 1,80 m de ancho y de 2,10 m de largo tendr cabida para tres a cuatro

canales; stos se alzan por medio de un cangiln de contrapeso hasta la mquina donde

se eliminan las cerdas con una serie de hlices giratorias. La canal se coloca luego sobre

una mesa donde se suprimen las pezuas y cualquier cerda que quede quemndola y

chamuscndola a mano con quemadores porttiles. Mientras se chamuscan las cerdas

que quedan, la piel no se esteriliza. No es necesario proceder a un chamuscado a fondo

de los cerdos tocineros, pero debe procederse a la esterilizacin de la superficie de la

piel y, como solucin alternativa, las canales podran pasar por una instalacin nica de

escaldado, eliminacin de las cerdas y chamuscado. Otras mejoras en la preparacin de

las canales despus del chamuscado son la inclusin de una mquina de raspado y

cepillado (o pulido) en la cadena, pero su utilizacin slo estar econmicamente

justificada para fbricas de alta produccin de tocino. Cuando se ha eliminado todo el

pelo del cerdo, se cuelga de un carril de carnizacin de 3,20 m a 3,3 m de alto, se

eviscera, se abre y se limpia con agua, y luego se verifica su peso y se enva al rea de

pre enfriamiento.

1.2 Instrumentos y Herramientas necesarios para este proyecto

Para este proyecto son necesarios elementos analgicos, digitales, he interfaces

comunicaciones. Cada uno de estos elementos estn especificados en esta seccin,

tomando en consideracin primero al transductor que es el encargado de transformar la

presin en una seal elctrica til para nuestros objetivos, esta seal se enva luego a un

circuito de filtrado y amplificado, luego se analizan los PICs encargados de procesar la

informacin, las interfaces, los integrados empleados, y el tipo de indicadores usados.

1.2.1 La Celda de Carga de Galga extensiomtrica como transductor.

La celda de carga es el transductor que nos permite transformar el peso en una seal

elctrica que vara linealmente con respecto al mismo. Una celda de Carga de Galga

extensiomtrica no es ms que el transductor que nos provee de la seal elctrica de un

pin llamado SNS que vara el voltaje en micro voltios con respecto a la deformacin que

sufre la superficie de la celda debido a la presin que se le aplica a la misma. Existen en

el mercado varios tipos de Celdas de Carga que difieren de acuerdo a la aplicacin,

varia tambin el precio, el tamao, la carga mxima, el voltaje con el que trabajan, etc..

pero en el caso de esta tesis la Celda de Carga que fue empleada se obtuvo de una

balanza de pesajes superficiales es decir una balanza de piso sobre la cual se coloca las

cargas sobre la estructura con un peso mximo de aproximadamente 450 libras, se

procedi a retirar el circuito electrnico el cual estaba defectuoso y se aprovech

nicamente este transductor. Esta fue una solucin eficaz y de bajo costo que dio los

resultados deseados. En lo que respecta a la construccin y operacin de la celda de

carga, pasemos a determinar en primer trmino en qu consiste su constitucin. Se trata

de un trozo de metal, que o bien puede ser de aluminio o bien de acero. El mismo debe

presentar una muy buena calidad, casi ptima, puesto que su funcin es la de permitir

que la balanza comience a realizar sus operaciones.

Figura4. Fotografa de una celda de carga.

Al trozo de metal que hemos mencionado es imperativo que se le practique una

perforacin o incisin, justamente para poder debilitar algn punto especfico de su

estructura general. Luego de llevar a cabo esta tarea, lo que hay realizar es una

colocacin de pequeos circuitos resistentes a la electricidad, que a su vez padecern

una alteracin fsica o geomtrica, ms que nada en cuanto a su hilo conductor. Dichos

circuitos se adhieren a la carga aplicada, es decir, a los pesos que se colocan sobre los

platos de la bscula para obtener los resultados de la medicin. Ahora pasemos a

determinar cmo es que opera la celda de carga para que la medidora tambin pueda

operar correctamente. Lo que se va a aplicar es la antigua pero todava extremadamente

vigente ley de Ohm. Bajo este punto de vista, la practicidad que se adquiere es

innegable

Cmo ocurre esto? El conductor es el encargado, como ya se ha adelantado, de

transmitir una seal que deber ser proporcional a la deformacin, pero siempre y

cuando al circuito se le aplique un voltaje denominado de excitacin. Los circuitos,

por su parte, reciben el nombre de gages o bien strain gages y pueden presentar

numerosas variedades, siempre dependiendo del uso que se les quiera dar. En cuanto a

la seal emitida, la misma se encontrar indefectiblemente deformada. Por esta razn,

tendr que ser posteriormente procesada, tarea que realizar el indicador electrnico.

ste, a su vez, podr tener caractersticas que lo clasifiquen como anlogo, as como

tambin rasgos que lo definan como digital. Cualquiera sea el caso, permitir la

obtencin de la lectura del peso que queremos obtener. Si hay que aludir al

funcionamiento de la celda de carga, entonces es importante determinar su principio

bsico o fundamental. El mismo est basado en la operacin que realizan cuatro galgas

extensiomtricas, sobre las cuales hemos dicho que son variadas y conocidas como

strain gages. Veamos ms detenidamente en qu consisten. Su configuracin es

considerada como muy especial y les permite ser electrnicamente resistentes, de ah la

necesidad de su empleo.

El parmetro variable y sujeto a la medida va a ser, justamente, la resistencia que

presente la galga. Sin embargo, dicha resistencia no ser siempre la misma. Muchas

veces puede producirse una variacin, que va a depender de la deformacin que la galga

sufra en determinadas circunstancias. Ahora pasemos a delimitar la funcin del sensor

en el operativo general. Se debe partir de la hiptesis inicial de que este sensor va a

sufrir tambin deformaciones, al igual que la superficie donde est adherido. El mismo

se encuentra compuesto por un sostn altamente delgado y no conductor, sobre el cual

se va a colocar un hilo de metal muy fino. Esto se debe hacer con el fin de que la mayor

parte de su longitud pueda distribuirse de manera paralela a una direccin determinada.

El hilo, por su parte, va a tener una resistencia a la electricidad, pero siempre

directamente proporcional a su longitud. En definitiva, cuando el hilo se alarga, la

resistencia va a aumentar notablemente. Las deformaciones que se van a producir en el

objeto sobre el cual se adhiere la galga son las que van a generar una variacin de la

longitud, que da como consecuencia una variacin en la resistencia.

Forma y funcionamiento de la celda de carga

El entendimiento de la forma exacta en que una carga o fuerza debe ser aplicada a la

celda de carga es de vital importancia para el buen diseo de una balanza o sistema de

peso en tanques, tolvas y silos, permitiendo adems una correcta seleccin del modelo

de celda de carga adecuado para su aplicacin.

EL MODELO IDEAL

Las especificaciones tcnicas de las celdas de cargas han sido determinadas bajo

condiciones de laboratorio, aplicando la carga o fuerza a la celda bajo condiciones lo

ms cercanas posibles a la perfeccin.

Figura5. Vista lateral de la aplicacin de una Fuerza sobre una viga.

En la figura vemos una simple aplicacin con una celda de carga de tipo viga de flexin.

Uno de los lados est firmemente fijado a una base rgida, con el extremo opuesto libre

para flexionar de acuerdo al peso o carga aplicada. Bajo condiciones ideales, la

superficie ser perfectamente plana, horizontal y totalmente rgida.

La carga F se introduce en forma vertical con un mnimo de fuerzas extraas aplicadas.

Las celdas de carga estn preparadas para ser insensibles en lo posible a todas las

fuerzas distintas a la vertical.

Lamentablemente, en el mundo real, el montaje de las celdas y las condiciones de

aplicaciones de fuerzas estn generalmente alejados del ideal. La incorrecta aplicacin

de fuerzas es muchas veces la causa encontrada por un buen tcnico en problemas de

precisin de una balanza. Entendiendo los problemas de aplicacin de fuerzas descritos

a continuacin le permitir prevenir la mayora de los problemas en la instalacin de sus

sistemas de pesaje.

Aunque en este caso la discusin est centrada en las celdas tipo viga de flexin, la

mayora de estos principios son igualmente aplicables para otros tipos de celdas.

FUERZAS ANGULARES

Esta es una condicin en que la fuerza F es introducida al orifico de recepcin de carga

en un ngulo en relacin con el eje central. Esta fuerza se anula si el componente

angular llega a los 90 en relacin con el eje central. Este componente horizontal es una

fuerza lateral, a la que la celda de carga es totalmente insensible.

Por ejemplo, si la fuerza F est inclinada en 4 en relacin a al eje central, en ese caso la

fuerza registrada por la celda de carga se reduce en un 0.4 pues se aplica una fuerza

lateral de 0.1F.

Figura 6. Vista lateral de la aplicacin de una Fuerza en forma angular sobre una

viga.

Si esta direccin de la fuerza aplicada es constante, la calibracin compensar este error

y la balanza ser precisa. En cambio, si este ngulo vara al aplicar el peso, se producir

falta de linealidad en la balanza, fricciones en el sistema mecnico y errores por

histresis. Las fuerzas angulares se pueden producir por accesorios de montaje no

alineados debidamente, una base poco rgida, expansin o contraccin trmica,

deflexin al aplicar la carga etc.

CARGAS EXCNTRICAS

Esta es una condicin en que la fuerza es aplicada a la celda en forma vertical pero la

lnea del eje de accin est apartado del eje del orificio de carga de la celda de carga.

Figura 7. Vista lateral de la aplicacin de una Fuerza sobre el extremo de una viga.

Esta condicin no afectar el normal funcionamiento de la balanza o sistema de pesaje

si la posicin es constante, pues al calibrar se compensar el error. En cambio, si este

punto de aplicacin vara durante el funcionamiento del sistema, se producirn errores

de linealidad e histresis. Las cargas excntricas se producen generalmente por

accesorios de montaje defectuosos o mal diseados y por expansin o contraccin por

accin trmica.

CARGAS LATERALES

Figura 8. Vista en perspectiva de la aplicacin de una Fuerza sobre una viga con cargas

laterales.

Esta es una condicin en que la fuerza F ( la que usted desea medir) est acompaada

por otra fuerza R aplicada a 90 en relacin a F. Esta fuerza podra ser constante, pero

casi siempre varia en el tiempo produciendo errores de linealidad e histresis. La celda

de carga ideal debe ser totalmente insensible a estas fuerzas laterales, sin embargo en la

prctica se producen errores de precisin por causa de estas fuerzas y generalmente no

todas las celdas reaccionan en la misma forma ante problemas similares. Un problema

similar es la fuerza P, similar a la anterior pero que acta sobre el extremo de la celda de

carga. Las fuerzas laterales son causadas por expansin o contraccin trmica, montajes

no nivelados y movimientos de los contenedores (silos, tanques, tolvas).

FUERZAS GIRATORIAS O DE TORQUE

Generalmente, las fuerzas laterales no actan directamente sobre un eje neutro,

causando una fuerza de torque, adicional a la fuerza lateral. Una celda puede ser

afectada por fuerzas de torque (T) de muchas maneras. En la figura (9) se ilustra una

condicin en que la lnea de accin de la fuerza lateral, es apartada del eje neutro por

una distancia h resultante del torque sobre Rh.

Figura 9. Vista frontal de la aplicacin de una Fuerza produciendo un torque sobre

una viga.

La figura (10) ilustra una condicin en que el peso cuelga del eje de la celda por medio

de un perno. Cualquier fuerza lateral aplicada a este sistema tendr un efecto de torque

mucho mayor, aumentado por la distancia h1 en relacin al eje de fuerzas.

Figura 10. Vista en perspectiva de la aplicacin de una Fuerza desplazada una

distancia desde el eje central de una viga produciendo un torque frontal.

Finalmente vemos una fuerza de torque de magnitud Fy como causa de la fuerza

aplicada fuera del eje de carga de la celda. La causa esta generalmente determinada por

accesorios de montaje no nivelados, expansin / contraccin trmica, deflexin de las

estructuras de soporte, fuerzas dinmicas laterales causadas por accin de agitadores o

batidores en los tanques, etc.

Teniendo en cuenta que estas fuerzas son generalmente variables, no es posible

predeterminar la forma en que pueden degradar la precisin del sistema de pesaje.

1.2.2 El filtrado de la seal

El Filtrado de la seal consiste en la eliminacin de las seales no deseadas en nuestro

sistema, las seales no deseadas pueden afectar principalmente al circuito de

amplificado de la seal que proviene de la celda de carga debido a que sta trabaja en

variaciones en micro voltios, entonces incluso un contacto mal aislado o un cable con

un devanado lastimado puede producir grandes prdidas en la seal que proviene de la

balanza. Por lo tanto se debe considerar tres aspectos fundamentales: el primero es

eliminar el ruido que produce la red de 120v 60Hz pues aunque se coloquen

condensadores de proteccin en la fuente a veces existen armnicos que afectan los

circuitos digitales. La otra es eliminar el ruido que se produce cuando la estructura de la

balanza funciona como antena y capta ondas electromagnticas transformando parte de

estas en voltaje en del ambiente pudiendo distorsionar la seal del SNS (en la teora

electromagntica provenientes de la ley de Faraday). Por ltimo est el filtrados de la

seal al distorsionarse en el cableado desde la estructura hasta el circuito de la tarjeta

madre, aunque no es mucha la distancia (entre 2 metros) pero es considerable para

presentar prdidas y ruido.

Para la eliminacin del ruido se realiz un pequeo clculo con un filtro paso bajo para

eliminar todas las frecuencias que afecten el sistema a partir de los 60 Hz que es la

frecuencia de corte a partir de la cual la seal empieza a recortar cualquier seal que se

induzca en la balanza, ahora primero definiremos que es el ruido.

El Ruido Elctrico

Est mal llamarlo as, en realidad no es ruido elctrico, aunque ya por costumbre lo

llamemos as (el ruido elctrico es realmente otra cosa). ste del que hablamos es

sonido producido por vibracin de elementos elctricos en un circuito (lo llamamos

ruido elctrico porque lo producen elementos elctricos). Este ruido lo producen

condensadores (capacitancias) y bobinas (inductancias) bajo ciertas cargas. Estn

adems relacionadas con combinaciones de componentes, una grfica puede hacer este

ruido con una fuente de alimentacin y placa base determinadas, pero al cambiar la

placa o la fuente puede desaparecer el ruido.

Un ejemplo de cmo se produce este ruido: Una bobina genera un campo magntico

(los campo elctricos y magnticos estn relacionados, ver leyes de maxwell), y dicho

campo puede producir que la bobina vibre fsicamente (a alta frecuencia de vibracin).

Al vibrar genera ondas de presin de alta frecuencia que es el sonido agudo que omos.

Si la la vibracin produce algn efecto de resonancia, el efecto es an mayor (por eso

con algunos componentes se puede agravar la situacin, depende de ms cosas, y por

eso hay combinaciones de componentes ms crticas).

Este problema tiene algunas soluciones:

Cambiar de componentes. Obviamente esta es la ltima solucin que queremos... Si

cambiamos algn componente, lo adecuado es buscar componentes que tengan

condensadores de estado slido y bobinas de ferrita encapsuladas y aisladas.

Cambiar la carga elctrica de los componentes:

A veces un poco de undervolting o de overvolting en el micro o grfica

soluciona el problema. En mi caso, con un micro (Athlon64 3200+) simplemente

con variar 0.01V el voltaje dejaba de hacer ruido.

Forzar vsync en la grfica. Con esto se reduce en muchas ocasiones el ruido.

Esto funciona por ejemplo con bastantes GTX260/GTX280.

Mejorar la alimentacin filtrando ruidos, por ejemplo con algn estabilizador de

tensin (un ups) o similares. En muchos casos esto elimina el problema (al eliminar

frecuencias parsitas en el voltaje). Tambin hay casos en los que cambiando el cable de

alimentacin del PC por otro tambin mejora la situacin.

Filtro paso Bajos y Diagrama de Bode:

Un filtro es un circuito electrnico que posee una entrada y una salida. En la entrada se

introducen seales alternas de diferentes frecuencias y en la salida se extraen esas

seales atenuadas en mayor o menor medida segn la frecuencia de la seal. Si el

circuito del filtro est formado por resistencias, condensadores y/o bobinas

(componentes pasivos) el filtro se dir que es un filtro pasivo. Por otro lado, como de

cada tipo de filtro existe un esquema bsico que lo implementa y adems es posible

conectarlos en cascada (uno a continuacin del otro), si el circuito del filtro est

formado por el esquema o clula bsica se dir que es de primer orden. Ser de segundo

orden si est formado por dos clulas bsicas, de tercer orden si lo esta por tres, etc.

Algunas definiciones ms:

Son una definiciones muy sencillas pero necesarias:

Octava: Dos frecuencias estn separadas una octava si una de ellas es de valor doble

que la otra.

Dcada: Dos frecuencias estn separadas una dcada si una de ellas es de valor diez

veces mayor que la otra.

Frecuencia de corte: Es la frecuencia para la que la ganancia en tensin del filtro cae de

1 a 0.707 (esto expresado en decibelios, dB, se dira como que la ganancia del filtro se

reduce en 3dB de la mxima, que se considera como nivel de 0dB). En los filtros pasa

banda y elimina banda existirn dos frecuencias de corte diferentes, la inferior y la

superior.

Banda de paso: Es el rango de frecuencias que el filtro deja pasar desde la entrada hasta

su salida con una atenuacin mxima de 3dB. Toda frecuencia que sufra una atenuacin

mayor quedara fuera de la banda pasante o de paso.

Banda atenuada: Es el rango de frecuencias que el filtro atena ms de 3dB.

Orden del filtro: De forma sencilla se podra definir as,

Filtro de primer orden: atena 6dB/octava fuera de la banda de paso.

Filtro de segundo orden: atena 12dB/octava fuera de la banda de paso.

Filtro de tercer orden: atena 18dB/octava fuera de la banda de paso.

Filtro de orden n: atena (6n)dB/octava fuera de la banda de paso.

Simbologa para un filtro pasa bajos:

Los circuitos usados como filtros de primer orden de tipo pasivo son los siguientes:

Figura 11. Smbolos de los diferentes tipos de filtros.

Quizs el ms usado es el primero de ellos, ya que no suele ser fcil conseguir bobinas

con las caractersticas deseadas. El funcionamiento de estos circuitos como filtro pasa

bajos es fcil de entender. En el caso del primero, el condensador presentar una gran

oposicin al paso de corrientes debidas a frecuencias bajas y como forma un divisor de

tensin con la resistencia, aparecer sobre l casi toda la tensin de entrada. Para

frecuencias altas el condensador presentar poca oposicin al paso de la corriente y la

resistencia se quedar casi el total de la tensin de entrada, apareciendo muy poca

tensin en extremos del condensador. El segundo circuito funcionar de forma muy

parecida al primero. Aqu tambin tenemos un divisor de tensin formado por al bobina

y la resistencia. Si la frecuencia de la tensin de entrada es baja la bobina ofrecer poca

oposicin y la tensin caer casi toda ella en la resistencia (o sea, aparecer en la

salida). Si la frecuencia de la seal de entrada es alta la bobina se quedar en sus

extremos con casi toda la tensin y no aparecer casi ninguna en la salida.

Efectuemos el estudio de este tipo de filtros sobre el primero de ellos, el que tiene un

condensador y una resistencia. La ganancia en tensin del filtro ser

Figura 12. Filtro paso bajo pasivo de primer orden con condensador y con

inductancia.

La frecuencia de corte se define como aquella para la que el valor hmico de la

resistencia coincide con el valor hmico de la reactancia, capacitiva en este caso (no se

corresponde esto con lo dicho ms arriba? No se preocupe, ver como el crculo acaba

cerrndose). Entonces,

Para el caso de que la frecuencia de entrada coincida con fc tendremos pues que la

ganancia del filtro quedara como

El crculo se ha cerrado y, por tanto, las dos definiciones de la frecuencia de corte son

equivalentes.

Expresando Gv en funcin de la frecuencia tendremos que:

Cada vez que la frecuencia se dobla la ganancia cae -6db (aproximadamente). Es esta

una caracterstica de los filtros de primer orden: la ganancia cae -6db por octava fuera

de la banda de paso.

Los filtros, adems de afectar a la amplitud de la seal que se les introduce en funcin

de su frecuencia, tambin afectan o modifican la fase de las seales, y dicha

modificacin tambin ser una u otra en funcin de la frecuencia de la seal de entrada.

Veamos cmo se produce este efecto. El desfase entre la tensin en extremos del

condensador (tensin de salida), la tensin aplicada en la entrada vendr dado por:

Este ngulo saldr negativo indicando que la tensin de salida estar atrasada respecto a

la de entrada. Representando grficamente la expresin anterior del desfase tendremos

lo siguiente:

Figura 13. Diagrama de bode (fase vs. Frec.)

Hasta aqu todo muy bien, todo muy bonito. Pero, el filtro deber conectar su entrada y

su salida a "algo". El funcionamiento descrito ms arriba sera el de un filtro conectado

a una fuente de seal con impedancia nula (algo que en la prctica no pasa) y con la

salida abierta (y entonces para qu quiero un filtro?). Lo que tendremos en la realidad

ser algo as:

Figura 14. Acople de impedancias en un filtro paso bajo con

Como afectan Zg y Zc al funcionamiento del filtro? Restrinjamos el estudio a los casos

en que tanto Zg como Zc slo tengan componente real, o sea, sean de tipo

exclusivamente resistivo. Lo normal es que Zg sea pequea o muy pequea, con lo que

no tendra apenas influencia sobre el funcionamiento del filtro. De todas formas, si se

desea considerar su efecto, slo hay que ver que queda en serie con la resistencia del

filtro, con lo que el filtro que se obtendra sera el siguiente:

Figura 15. Acople de impedancias en un filtro paso bajo.

Por tanto, para el clculo de un filtro teniendo en cuenta el efecto de Zg, de carcter

puramente resistivo, slo hay que considerar como resistencia del filtro el valor de Zg +

R con lo que la fuente de seal pasara a considerarse como perfecta, esto es, con una

impedancia cero -ya que su impedancia ha pasado a formar parte de la resistencia del

filtro.

En cuanto al efecto introducido por Zc, decir que si sta es grande o muy grande

comparada con el valor de Xc a la frecuencia fc se podr despreciar su efecto (nos

estaramos acercando al caso de salida abierta, equivalente a resistencia infinita). Y es a

partir de esto ltimo como se puede calcular un filtro prctico de este tipo como se hizo

para esta tesis:

Disear un filtro pasa bajo de primer orden, con condensador, para tener una banda de

paso de 2000Hz, sabiendo que a su salida se conectar una carga resistiva de 10kOhms

y que se conectar a su entrada una fuente de seal con una resistencia interna medida

de 600Ohms. Empezaremos por hacer que Xc sea diez veces ms pequea (por lo

menos) que la resistencia de carga a la frecuencia de corte. Con estas condiciones se

calcula el condensador de la siguiente forma:

En nuestro caso resulta un condensador de unos 80nF. Elegiremos el valor normalizado

inmediatamente superior al calculado, o sea, 100nF. Seguidamente se calcula el valor

del conjunto Zg + R a partir de:

Slo resta hallar R de la forma siguiente:

Se tomar el valor normalizado ms prximo inmediatamente inferior al calculado, en

este caso 180Ohms (serie E12 de resistencias, la ms habitual). Las siguientes grficas

muestran el comportamiento del filtro calculado en el ejemplo sin y con la resistencia de

carga conectada. Primero se muestra la grfica de la tensin de salida del filtro (en dB)

y a continuacin el desfase introducido:

Figura 16. Comportamiento de un filtro paso bajo (Ganancia en dB vs. Frec.)

Como puede apreciarse, la desviacin de la respuesta el filtro con carga respecto a la

respuesta sin carga es muy pequea. Para tener una ms amplia concepcin de lo que

aqu se expresa ahora entenderemos matemticamente que es un diagrama de bode.

El diagrama de Bode

Un Diagrama de Bode es una representacin grfica que sirve para caracterizar la

respuesta en frecuencia de un sistema. Normalmente consta de dos grficas separadas,

una que corresponde con la magnitud de dicha funcin y otra que corresponde con la

fase. Recibe su nombre del cientfico que lo desarroll, Hendrik Wade Bode. Es una

herramienta muy utilizada en el anlisis de circuitos en electrnica, siendo fundamental

para el diseo y anlisis de filtros y amplificadores.

El diagrama de magnitud de Bode dibuja el mdulo de la funcin de transferencia

(ganancia) en decibelios en funcin de la frecuencia (o la frecuencia angular) en escala

logartmica. Se suele emplear en procesado de seal para mostrar la respuesta en

frecuencia de un sistema lineal e invariante en el tiempo.

El diagrama de fase de Bode representa la fase de la funcin de transferencia en funcin

de la frecuencia (o frecuencia angular) en escala logartmica. Se puede dar en grados o

en radianes. Permite evaluar el desplazamiento en fase de una seal a la salida del

sistema respecto a la entrada para una frecuencia determinada. Por ejemplo, tenemos

una seal Asin(t) a la entrada del sistema y asumimos que el sistema atena por un

factor x y desplaza en fase . En este caso, la salida del sistema ser (A/x) sin(t ).

Generalmente, este desfase es funcin de la frecuencia (= (f)); esta dependencia es

lo que nos muestra el Bode. En sistemas elctricos esta fase deber estar acotada entre -

90 y 90.

La respuesta en amplitud y en fase de los diagramas de Bode no pueden por lo general

cambiarse de forma independiente: cambiar la ganancia implica cambiar tambin

desfase y viceversa. En sistemas de fase mnima (aquellos que tanto su sistema inverso

como ellos mismos son causales y estables) se puede obtener uno a partir del otro

mediante la transformada de Hilbert.

Si la funcin de transferencia es una funcin racional, entonces el diagrama de Bode se

puede aproximar con segmentos rectilneos. Estas representaciones asintticas son tiles

porque se pueden dibujar a mano siguiendo una serie de sencillas reglas (y en algunos

casos se pueden predecir incluso sin dibujar la grfica). Esta aproximacin se puede

hacer ms precisa corrigiendo el valor de las frecuencias de corte (diagrama de Bode

corregido).

Figura 17. Diagrama de Bode del filtro paso bajo Butterworth de primer orden (con un

polo)

1.2.3 El amplificado de la seal

Para amplificar una seal la mejor opcin es tener contar con amplificadores

operacionales debido a que brindan todas las garantas elctricas necesarias para que

una seal sea amplificada al nivel deseado con prdidas mnimas de la calidad de la

seal. Adems con los amplificadores operacionales es posible acoplar impedancias de

modo que se puede conectar la celda de carga sin mayor inconveniente. Los

amplificadores que se emplearon fueron el TL082 alimentado con +,- 12v y el LM324

alimentado con +12v, de esta manera se obtuvo una muy buena amplificacin de la

seal de la balanza como se mostrar en el circuito del captulo 2.

El Cudruple amplificador operacional LM324

Figura 18. Diagrama del LM324

Tabla 1. Caractersticas del LM324

Figura 19. Curvas caractersticas de operacin con voltaje.

Figura 20. Otras curvas caractersticas del amplificador operacional LM 324

Es muy importante tener presente las disposiciones de los pines del integrado, las

grficas de operacin, la ganancia lmite, las corrientes mximas, los voltajes de

alimentacin, y todas las restricciones para su uso, de esta manera es posible hacer un

buen diseo del circuito de amplificacin.

Tabla 2. Disposicin de los pines para este integrado.

El amplificador Operacional TL082

Figura 21. Disposicin de la estructura del TL082

Tabla 3. Caractersticas de las funciones principales del amplificador

Tabla 4. Caractersticas esenciales del TL082

Figura 22. Grficas con las curvas caractersticas de operacin del TL082

1.2.4 El PIC para procesar la seal

El PIC que se utiliz para el procesamiento de la informacin es el PIC 16F877A, el

cual es una de las herramientas ms poderosas y econmicas cuando se requiere

proyectos medianos y grandes. Tiene muchas caractersticas de las cuales se puede

buscar mayor informacin directamente en el datasheet en internet, pero vamos a

resaltar las especificaciones tcnicas que son las ms indispensables para este trabajo de

tesis:

Figura 23. Disposicin de pines del PIC 16F877A

Para esta tesis se utiliz parte de la memoria EEPROM del PIC la cual es 8K, debido a

la cantidad de lneas de cdigo empleadas, a las interrupciones, etc.. La conversin

analgico digital se la realiz por medio del RA0, en condiciones normales con

voltaje mximo de ingreso 5v y mnimo de 0v, se necesit emplear interrupciones con

timer por lo que se especifica mas abajo como estn constituidos los mdulos. Se utiliz

tambin el mdulo de comunicacin serial en este caso la salida por el RC6/TX, se le

conect un LCD para comandarlo a 4 hilos, se conect un reloj de tiempo real y una

memoria d I2C.

Figura 24. Configuracin interna del timer 0 con prescaler del PIC 16F877A

Tabla 6. Configuracin de los registros Timer 1 y ADCON0 del PIC 16F877A

1.2.5 La memoria de respaldo y Protocolo I2C

Las memorias de respaldo o memorias I2C se les llama as debido al protocolo de

comunicaciones que emplean para intercambiar informacin con el PIC, por este motivo

comenzaremos explicando que es un bus I2C y luego explicare el Protocolo.

El bus I2C, un estndar que facilita la comunicacin entre microcontroladores,

memorias y otros dispositivos con cierto nivel de "inteligencia", slo requiere de dos

lneas de seal y un comn o masa. Fue diseado a este efecto por Philips y permite el

intercambio de informacin entre muchos dispositivos a una velocidad aceptable, de

unos 100 Kbits por segundo, aunque hay casos especiales en los que el reloj llega hasta

los 3,4 MHz.

La metodologa de comunicacin de datos del bus I2C es en serie y sincrnica. Una de

las seales del bus marca el tiempo (pulsos de reloj) y la otra se utiliza para intercambiar

datos.

Descripcin de las seales

SCL (System Clock) es la lnea de los pulsos de reloj que sincronizan el sistema.

SDA (System Data) es la lnea por la que se mueven los datos entre los dispositivos.

GND (Masa) comn de la interconeccin entre todos los dispositivos "enganchados" al

bus.

Protocolo de comunicacin del bus I2C

Habiendo varios dispositivos conectados sobre el bus, es lgico que para establecer una

comunicacin a travs de l se deba respetar un protocolo. Digamos, en primer lugar, lo

ms importante: existen dispositivos maestros y dispositivos esclavos. Slo los

dispositivos maestros pueden iniciar una comunicacin.

Figura 25. Bit de start para la comunicacin I2c

La condicin inicial, de bus libre, es cuando ambas seales estn en estado lgico alto.

En este estado cualquier dispositivo maestro puede ocuparlo, estableciendo la condicin

de inicio (start). Esta condicin se presenta cuando un dispositivo maestro pone en

estado bajo la lnea de datos (SDA), pero dejando en alto la lnea de reloj (SCL).

El primer byte que se transmite luego de la condicin de inicio contiene siete bits que

componen la direccin del dispositivo que se desea seleccionar, y un octavo bit que

corresponde a la operacin que se quiere realizar con l (lectura o escritura). Si el

dispositivo cuya direccin corresponde a la que se indica en los siete bits (A0-A6) est

presente en el bus, ste contesta con un bit en bajo, ubicado inmediatamente luego del

octavo bit que ha enviado el dispositivo maestro. Este bit de reconocimiento (ACK) en

bajo le indica al dispositivo maestro que el esclavo reconoce la solicitud y est en

condiciones de comunicarse. Aqu la comunicacin se establece en firme y comienza el

intercambio de informacin entre los dispositivos.

Figura 26. Protocolo de comunicacin I2C con 9 pulsos en los dos buses.

Si el bit de lectura/escritura (R/W) fue puesto en esta comunicacin a nivel lgico bajo

(escritura), el dispositivo maestro enva datos al dispositivo esclavo. Esto se mantiene

mientras contine recibiendo seales de reconocimiento, y el contacto concluye cuando

se hayan transmitido todos los datos.

Figura 27. Bit de finalizacin para la comunicacin.

En el caso contrario, cuando el bit de lectura/escritura estaba a nivel lgico alto

(lectura), el dispositivo maestro genera pulsos de reloj para que el dispositivo esclavo

pueda enviar los datos. Luego de cada byte recibido el dispositivo maestro (quien est

recibiendo los datos) genera un pulso de reconocimiento. El dispositivo maestro puede

dejar libre el bus generando una condicin de parada (o detencin; stop en ingls).

Si se desea seguir transmitiendo, el dispositivo maestro puede generar otra condicin de

inicio en lugar de una condicin de parada. Esta nueva condicin de inicio se denomina

"inicio reiterado" y se puede emplear para direccionar un dispositivo esclavo diferente o

para alterar el estado del bit de lectura/escritura.

1.2.6 El reloj de tiempo real

Empleando el mismo protocolo de comunicaciones I2C se utiliz en este circuito un

reloj de tiempo real DS1307, como vemos se trata de un integrado de 8 pines el cual

tiene un oscilador de 32768Hz los cuales estn calculados para permitirle al integrado

no perder la hora ni la fecha bajo ninguna circunstancia, incluso si se desconecta del

circuito Maestro pues contina funcionando gracias a una alimentacin adicional con la

que cuenta.

Figura 28. Circuito tpico de operacin del DS1307

1.2.7 La pantalla LCD

Como se aprecia en la figura la pantalla LCD es un medio de visualizacin digital de

informacin que emplea un tratamiento especial de cuarzo lquido y un sistema

electrnico para decodificar los datos que llegan desde el PIC y transmitirlos a cada uno

de los pixeles de la pantalla formando letras, nmeros, smbolos, etc..

Figura 29. Disposicin de los pines para el LCD

Aqu se presenta la distribucin de los pines y qu funcin cumplen cada uno, en el

captulo 2 se mostrar con detenimiento como se aplica estas funciones cuando se

conecta al PIC.

Tabla 5. Curvas caractersticas de operacin con voltaje.

1.2.8 El PIC para la comunicacin USB

Este es el elemento ms importante de la comunicacin con la PC, en este proyecto de

tesis se utiliz el PIC 18F4550 que se trata de un micro controlador de 40 pines con

caractersticas similares al del 16F877A, pero su principal caracterstica es que nos

permite realizar la interfaz USB con la computadora a una velocidad mxima de

48MHz.

La razn por la que se emple este integrado fue porque se necesita tener una buena

comunicacin, y tomando en cuenta que se trabaja a grandes distancias se prefiri

ocuparse el USB en un circuito y aparte con un 16F877A el resto del trabajo.

Figura 30. Disposicin de pines del PIC de comunicacin USB 18F4550

Para el uso de este micro controlador el programa Micro Code Studio Plus cuenta con

una opcin llamada el EasyHID USB Wizard. Se trata de una herramienta que nos

permite configurar los protocolos de comunicacin USB del PIC automticamente, esto

se efecta automticamente, por este motivo se facilita mucho la entrada y salida de

datos por medio del USB.

Figura 31. Configuracin del programa para el PIC de comunicacin USB 18F4550

1.2.9 Protocolos para la comunicacin USB

Como bien sabemos la comunicacin USB requiere un protocolo para enviar y recibir

datos a gran velocidad. Por este motivo explicar que es el USB y como se trabaja con

el mismo:

Introduccin al USB

El USB (Bus de serie universal), como su nombre lo sugiere, se basa en una

arquitectura de tipo serial. Sin embargo, es una interfaz de entrada/salida mucho ms

rpida que los puertos seriales estndar. La arquitectura serial se utiliz para este tipo de

puerto por dos razones principales:

La arquitectura serial le brinda al usuario una velocidad de reloj mucho ms alta

que la interfaz paralela debido a que este tipo de interfaz no admite frecuencias

demasiado altas (en la arquitectura de alta velocidad, los bits que circulan por

cada hilo llegan con retraso y esto produce errores);

Los cables seriales resultan mucho ms econmicos que los cables paralelos.

Estndares USB

A partir de 1995, el estndar USB se ha desarrollado para la conexin de una amplia

gama de dispositivos.

El estndar USB 1.0 ofrece dos modos de comunicacin:

12 Mb/s en modo de alta velocidad,

1,5 Mb/s de baja velocidad.

El estndar USB 1.1 brinda varias aclaraciones para los fabricantes de dispositivos

USB, sin cambiar los rasgos de velocidad. Los dispositivos certificados por el estndar

USB 1.1.

El estndar USB 2.0 permite alcanzar velocidades de hasta 480 Mbit/s con los

dispositivos certificados por el estndar USB 2.0.

Si no lleva ningn logotipo, la mejor manera de determinar si un dispositivo es de USB

de alta o baja velocidad es consultar la documentacin del producto, siempre y cuando

los conectores sean los mismos. La compatibilidad entre USB 1.0, 1.1 y 2.0 est

garantizada. Sin embargo, el uso de un dispositivo USB 2.0 en un puerto USB de baja

velocidad (es decir 1.0 1.1) limitar la velocidad a un mximo de 12 Mbit/s. Adems,

es probable que el sistema operativo muestre un mensaje que indique que la velocidad

ser restringida.

Tipos de conectores

Los conectores conocidos como tipo A, cuya forma es rectangular y se utilizan,

generalmente, para dispositivos que no requieren demasiado ancho de banda (como el

teclado, el ratn, las cmaras Web, etc.);

Los conectores conocidos como tipo B poseen una forma cuadrada y se utilizan

principalmente para dispositivos de alta velocidad (discos duros externos, etc.).

Figura 32. Diagrama de conexin del circuito para el PIC de comunicacin USB

18F4550

Funcionamiento del USB

Una caracterstica de la arquitectura USB es que puede proporcionar fuente de

alimentacin a los dispositivos con los que se conecta, con un lmite mximo de 15 V

por dispositivo. Para poder hacerlo, utiliza un cable que consta de cuatro hilos (la

conexin a tierra GND, la alimentacin del BUS y dos hilos de datos llamados D- y

D+).

El estndar USB permite que los dispositivos se encadenen mediante el uso de una

topologa en bus o de estrella. Por lo tanto, los dispositivos pueden conectarse entre

ellos tanto en forma de cadena como en forma ramificada. La ramificacin se realiza

mediante el uso de cajas llamadas "concentradores" que constan de una sola entrada y

varias salidas. Algunos son activos (es decir, suministran energa) y otros pasivos (la

energa es suministrada por el ordenador).

La comunicacin entre el host (equipo) y los dispositivos se lleva a cabo segn un

protocolo (lenguaje de comunicacin) basado en el principio de red en anillo. Esto

significa que el ancho de banda se comparte temporalmente entre todos los dispositivos

conectados. El host (equipo) emite una seal para comenzar la secuencia cada un

milisegundo (ms), el intervalo de tiempo durante el cual le ofrecer simultneamente a

cada dispositivo la oportunidad de "hablar". Cuando el host desea comunicarse con un

dispositivo, transmite una red (un paquete de datos que contiene la direccin del

dispositivo cifrada en 7 bits) que designa un dispositivo, de manera tal que es el host el

que decide "hablar" con los dispositivos. Si el dispositivo reconoce su direccin en la

red, enva un paquete de datos (entre 8 y 255 bytes) como respuesta. De lo contrario, le

pasa el paquete a los otros dispositivos conectados. Los datos que se intercambian de

esta manera estn cifrados conforme a la codificacin NRZI.

Como la direccin est cifrada en 7 bits, 128 dispositivos (2^7) pueden estar conectados

simultneamente a un puerto de este tipo. En realidad, es recomendable reducir esta

cantidad a 127 porque la direccin 0 es una direccin reservada.

Debido a la longitud mxima de 5 metros del cable entre los dos dispositivos y a la

cantidad mxima de 5 concentradores (a los que se les suministra energa), es posible

crear una cadena de 25 metros de longitud.

Los puertos USB admiten dispositivos Plug and play de conexin en caliente. Por lo

tanto, los dispositivos pueden conectarse sin apagar el equipo (conexin en caliente).

Cuando un dispositivo est conectado al host, detecta cuando se est agregando un

nuevo elemento gracias a un cambio de tensin entre los hilos D+ y D-. En ese

momento, el equipo enva una seal de inicializacin al dispositivo durante 10 ms para

despus suministrarle la corriente elctrica mediante los hilos GND y VBUS (hasta 100

mA). A continuacin, se le suministra corriente elctrica al dispositivo y temporalmente

se apodera de la direccin predeterminada (direccin 0). Para hacerlo, el equipo

interroga a los dispositivos ya conectados para poder conocer sus direcciones y asigna

una nueva, que lo identifica por retorno. Una vez que cuenta con todos los requisitos

necesarios, el host puede cargar el driver adecuado.

1.2.10 Protocolos para la comunicacin RS 485

Esta comunicacin fue la empleada entre el circuito de la Tarjeta Madre es decir el PIC

16F877A y el circuito de Comunicacin USB es decir el PIC 18F4550 para transmitir

los datos desde la balanza hasta el Ordenador. El protocolo es el siguiente:

Comunicacin RS485

El propsito de esta comunicacin es permitir la transferencia de informacin remota de

los instrumentos o desde un computador personal tipo PC o sencillamente el reporte de

datos, a una impresora, etc.

Si slo se desea reportar datos de un instrumento a una impresora, lo nico necesario

ser la tarjeta RS485 en el instrumento y una impresora con puerto serial. (P.ej. Epson

LX-300). Para tener un sistema completo de control supervisor sobre varios

instrumentos se tiene las siguiente ventajas:

1) Reduccin de costos por cableado al instalar slo un par de cables.

2) Mayor inmunidad al rudo al usar comunicacin dgital, que es inherentemente ms

inmune que la anloga.

3) Permite un mximo de 32 instrumentos por nodo, que pueden ser instalados

progresivamente y a medida que se requieran.

4) Software de desarrollo muy sencillo de operar y adems econmico.

Caracterstiicas

Aislacin Galvnica de instrumentos con el bus y del bus al PC

Standard de transmisin. RS485, Half duplex (1 par)

Data rate. 300, 600, 1200, 2400 Baud.

Formato. Binario (no ASCII) : Start bit, 8 bits, 1 bit, Stop bit

Chequeo de error. Deteccin de errores mediante algoritmo particular

(Xor Helicoidal, detecta 3 bit)

Protocolo . Particular , entregado con los instrumentos.

Longitud mxima. 1200 metros.

Nmero de instrumentos. 32 mximo.

El protocolo del RS485

La salida RS485 entrega 2 lneas aisladas galvnicamente, llamadas A y B. En el

protocolo RS485, estas lneas funcionan como par diferencial (sin tierra absoluta como

el RS232) . El 1 lgico se representa por la condicin en que el voltaje en la lnea A, es

mayor que el de la lnea B, y al revs para el 0 lgico. Tpicamente A - B = 5 volts para

1 lgico y A - B = -5 volts para 0 lgico. La comunicacin RS485 es bidireccional Half

duplex, a diferencia del RS422 que usa los mismos niveles de voltaje pero con 2 pares

de lneas para comunicacin Full duplex.

1.2.11 Construccin de las tarjetas de circuitos impresos

Para el diseo y construccin de las tres placas de circuitos impresos se realiz con el

proceso de serigrafa el cual es el mtodo empleado para la impresin de la imagen

diseada en la placa virgen.

El Proceso de Serigrafa.

En este proceso se utiliza un bastidor o marco de madera el cual tienen un malla muy

fina de nylon, la cual se cubre con una delgada capa de emulsin fotosensible, por

medio de un proceso fotogrfico y con la imagen del circuito impreso en positivo se

curan aquellas reas de la emulsin que fueron expuesta a la luz y pudiendo remover de

la malla por completo la emulsin de aquellas reas que no fueron atacadas por la luz.

El bastidor as grabado tiene reas de la malla obstruidas por la emulsin curada y otras

reas libres que corresponden fielmente a las reas de cobre que diseamos para nuestro

circuito impreso. El positivo lo obtenemos haciendo una impresin lser de alta calidad

de la imagen de nuestro circuito impreso sobre una hoja de acetato, y de ser necesario

retocar con marcador opaco. La emulsin y el proceso fotogrfico se debe hacer en un

recito adecuado, con ventilacin y la iluminacin adecuada. Para nuestro caso, al

carecer de esas instalaciones, se opto por mandar a hacer solo ese proceso a un local

dedicado ala serigrafa. La relacin costo beneficio es muy favorable, pues en pocas

horas el trabajo esta listo, a un bajo precio y sin la necesidad de tener complejas

instalaciones.

Una vez que tenemos nuestro bastidor listo, se coloca sobre la placa virgen

perfectamente limpia, y encima de la malla se le pone tinta para serigrafa, que puede

ser cualquiera que no tenga como base agua y que no contenga pigmentos minerales.

Con ayuda de un rasero corremos la tinta de arriba abajo dejando una capa uniforme a lo

largo de el bastidor, de esta forma la tinta pasara solo por aquellas partes de la malla que

estn libres de emulsin, al separar el bastidor de la placa de cobre, tenemos que esta ya

tiene la imagen de el circuito impreso marcada con tinta y solo bastara unas horas al sol,

para que quede completamente seca y lista para el siguiente paso.

La construccin de la placa una vez obtenido el dibujo.

Esta gua describe el proceso a seguir para la realizacin de prototipos de circuitos

impresos a doble cara mediante el mtodo de la plancha y los negativos impresos

mediante impresora lser.

Resumiendo mucho, el proceso se basa en el hecho de que al planchar un papel impreso

mediante impresora lser sobre el cobre de una placa virgen, el tner pegado al papel (

es decir toda la parte impresa en negro ) se transfiere al cobre creando una pelcula

protectora sobre ste. Esta pelcula protectora evita que el cobre que queda debajo de

ella, sea "disuelto" al sumergir la placa virgen en el cloruro frrico. La zona no cubierta

por el tner desaparecer por completo. As, al finalizar el bao, y tras retirar con

disolvente el tner, tendremos una placa con las pistas de nuestro circuito lista para

hacer los diferentes agujeros y soldar los componentes.

Aunque existen varios mtodos para hacer prototipos de circuitos impresos, el aqu

descrito permite realizar placas casi tan precisas como las obtenidas por el mtodo de la

exposicin a luz ultravioleta (hasta 0.5mm de ancho de pista), pero sin muchos de los

inconvenientes de ste ltimo. Su principal ventaja, es que evita el proceso del revelado

necesario en el mtodo de la luz ultravioleta, el cual puede ser muy engorroso si no se

domina lo suficiente. En este es frecuente tener problemas de subexposicin o

sobreexposicion a la luz, o de que la concentracion del reactivo de revelado o la

temperatura no sea la correcta, ello provocar al revelar perdamos partes del circuito.

Adems, un revelado incorrecto har que tengamos que baar la placa de nuevo en la

resina fotosensible para poder repetir de nuevo el proceso, o incluso, si usamos placas

de las que ya vienen baadas, que tengamos que desecharlas.En cambio, con el mtodo

aqu descrito, si el planchado sale mal, bastar con retirar el papel, limpiar la placa con

disolvente y volverlo a intentar.

Material Para la realizacin de los circuitos impresos de doble cara por el mtodo de la

plancha y los fotolitos en papel golossy es necesario el siguiente material:

1- Papel couche o en su defecto papel glossy ( o cualquier otro papel al cual el

tner no se adhiera en exceso y se pueda empapar bien al sumergirse en agua )

2- Impresora lser

3- El circuito PCB ( recordar que la cara TOP se imprimir invertida, mientras que

la BOTTOM se imprimir tal cual).

4- Una plancha, preferiblemente pequea para manejarla bien durante el planchado

5- Placa virgen de las dimensiones del PCB como mnimo

6- Lija muy fina y lana de acero

7- Aguja de costura

8- Rotulador permamente

9- Taladro pequeo tipo Dremel

10- Hilo de cobre o estao de 0.5mm para las vias

11- Cubeta amplia

12- Detergente

13- Cloruro frrico

14- Alcohol

15- Disolvente

El Proceso:

A continuacin, se describen los pasos a seguir para la realizacin de los cicrucitos

impresos a doble cara. Antes de nada es bueno mentalizarse de que este es un proceso

bastante artesanal y de que, como en la mayora de procesos artesanales, se ha de pasar

una fase previa de aprendizaje en la que probablemente, tras muchos intentos fallidos,

alguien pueda perder la paciencia. No obstante una vez se le coje el truco, el mtodo es,

dentro de lo que cabe, bastante fiable, fcil, rpido y limpio.

No hace falta decir que, como en todo, cada "maestrillo tiene su librillo" y que cada uno

puede hacer modificaciones o adaptaciones de los diferentes pasos segn le convenga, o

apetezca. De todas formas, no hay que olvidar nunca que algunos de los elementos

utilizados en el proceso son peligrosos y pueden causar lesiones si se utilzan sin las

precauciones debidas.

1-El primer paso es preparar el cobre de las caras de la placa virgen para que ms

adelante, al planchar las hojas impresas con la impresora lser, el tner de estas se

adhiera a ellas sin problemas. Para ello primero habr que pasar la lija fina o lana de

acero sobre las caras de cobre eliminando las posibles manchas o pequeas

irregularidades. Luego, con papel de celulosa, deberemos retirar el polvo de cobre

resultante del pulido, y limpiar de nuevo las superficies con otra celulosa empapada en

alcohol. Ambas caras debern aparecer brillantes pero con una rugosidad muy fina, casi

imperceptible, que si todo est bien, facilitar la adhesin del tner.

Figura 33. Se puede apreciar la ligera rugosidad aparecida en la placa tras el lijado.

2-El siguiente paso es imprimir los PCBs con la impresora lser en el papel glossy.

Antes de imprimir nada hay que recordar que, como el circuito impreso va a ser de

doble cara, es necesario que los negativos tengan cruces de posicionamiento o

referencia. Estas cruces sirven para situar bien las hojas sobre el cobre antes de

plancharlas, evitando que las pistas y pads de ambas caras queden desalineados. Estas

cruces deben aparecer a ambas caras y coincidir entre s. Para evitar problemas, lo

recomendable es situar una cruz de posicionamiento en cada esquina del PCB y una por

la zona del centro. Otro punto importante, antes de pasar a imprimir las hojas, es revisar

la orientacin de todos los componentes y que sus footprints son correctos, evitando as

sorpresas al final del proceso. Hay que recordar tambin que la posicin del

encapsulado respecto a los PADs es diferente en los componentes de montaje through-

hole (los DIP) y en el de los de montaje superficial (los SMD).

3-Una vez nos hayamos asegurado de que el diseo del PCB no presenta errores

garrafales y de que tiene las cruces de posicionamiento situadas, podremos imprimirlos.

Podemos comenzar por imprimir la cara TOP del PCB sobre el papel glossy con una

impresora lser al mximo de calidad posible.

Figura 34. El negativo antes de ser transferido. Es bueno hacer algunos agujeros

pequeitos en l con una aguja fina

La cara TOP debe imprimirse invertida de tal forma que las letras que pueda tener

impresas sobre ella se lean al revs en el papel. Al plancharla quedar tal como la

veamos en el programa de diseo ( para ello puede utilizarse la opcin de impresin

Mirror que incorporan muchos CADs). La cara BOTTOM debe imprimirse tal cual,

sin necesidad de ser invertida. Es muy recomandable comprobar que todo es correcto

antes de comenzar a planchar.

4-Los PCBs deberan quedar bien impresos y definidos, ya que las zonas con poco tner

pueden quedar peor planchadas o adheridas, y tendran un acabado un poco sucio tras

ser atacadas con el cloruro frrico. Incluso puede ser que el reactivo se coma las pistas

mal impresas dando lugar a circuitos abiertos no desados.

5-Antes de planchar ninguna de las hojas sobre la superficie de cobre, es muy

recomendable hacer una malla de agujeritos muy finos en estas con un alfiler ( cada

2cms aprox, preferiblemente en zonas sin tner ). Estos agujeros permitiran escapar al

aire caliente que se genere entre el papel y la placa de cobre evitando que forme

burbujas que despeguen las zonas de tner que ya se habian adherido al planchar.

6-Una vez tengamos los negativos listos, bien impresos y con los agujeritos finos

podemos comenzar por planchar una de las caras. Para ello antes deberemos centrar

correctamente la placa virgen sobre el negativo del PCB, doblando el sobrante de papel

por la cara opuesta a la que vamos a planchar. Esto fijar firmemente el papel sobre la

placa de cobre, evitando que se mueva mientras planchamos. La parte impresa deber

mirar hacia el cobre. Para el circuito del ejemplo, se ha utilizado una plancha pequea

de viaje al mximo de temperatura, no obstante hay que tener en cuenta que un exceso

de temperatura puede estropear el papel. Las planchas pequeas tienen la ventaja de ser

ms manejables, permitiendo aplicar el calor con mas precisin y manipular mejor la

placa virgen mientras la planchamos. El planchado deber hacerse de forma ordenada

con firmeza y presin, comenzando por una esquina de la placa, avanzando en un

sentido, y planchando bandas sucesivas de la placa empujando el aire hacia el exterior

del PCB. En todo momento hay que evitar que se formen burbujas sobre las zonas del

papel donde hay tner ( no pasa nada si se forman donde no hay tner, de hecho se

formaran con frecuencia ). En caso de que se formen burbujas sobre las zonas de tner

deberemos intentar desplazarlas planchando de nuevo ya que si no conseguimos que

adhieran bien, estas no quedaran protegias en el bao en el cido y se perderan.

Figura 35. Planchando el negativo en el cobre

Figura 36. Parte del papel retirado tras el bao

7-Una vez el papel est correctamente planchado y adherido a la placa de cobre

debermos manipularla lo mnimo necesario y dejarla enfriar a temperatura ambiente.

Mientras se enfra se puede preparar la cubeta con agua caliente y un poco de detergente

que se utilizar para separar el papel del tner pegado a la placa.

8-Tras haber planchado y dejado enfriar la placa, deberemos sumergirla en la cubeta

con el agua caliente con detergente durante al menos unos 15 minutos. Durante este

tiempo el papel absorver el agua y se empapar. Cuando el papel se encuentre bien

empapado podremos comenzar a retirarlo cuidadosmanete, rasgndolo suavemente en

tiras. Si todo ha ido como deba veremos que el papel se ir desprendido sin dificultad y

el tner permanecer pegado al cobre formando el trazado de lo que ms adelante seran

las pistas. Es frecuente que queden pequeos restos de papel formando una pelcula fina

sobre las zonas de tner ( le dan un tono grisceo al secar ) pero estas no supondrn

ningun problema durante el resto del proceso de elabroacin del circuito impreso, por lo

que no hay que preocuparse por ellas.

Figura 37. Al secarse el tner muestra un color grisceo provocado por los restos de

papel que se han quedado adheridos a l.

9-El siguiente paso es preparar la segunda cara. Para ello repetiremos el proceso seguido

en la preparacin de la primera, pero esta vez prestando especial atencin al

posicionamiento del segundo negativo respecto el ya grabado en la primera cara. Las

cruces de posicionamiento de la cara ya planchada y las impresas en el papel que se va a

planchar han de coincidir perfectamente entre s. Para conseguirlo, antes de situar el

papel haremos unos agujeros muy finos con un taladro de tipo Dremel (1mm de

dimetro mximo) en el centro de todas las cruces de posicionamiento ya grabadas en la

placa. Estos agujeros atravesaran la placa y facilitarn el posicionamiento del papel de

la segunda cara antes de plancharlo. Una vez los centros de las cruces de ambas caras

coincidan entre s se podr fijar el papel a la placa, doblando la parte sobrante de papel

por la cara trasera ya planchada y aguantndola con algun trocito de cinta adhesiva si es

necesario.

10-Hay que tener mucho cuidado al manipular la cara ya preparada ya que si al planchar

la segunda cara aplicamos excesivo calor, o deslizamos la placa sobre la mesa y esta

tiene irregularidades el tner puede desprenderse o rascarse. Por eso recomendable

apoyarla sobre algn tipo de trapo ligeramente hmedo antes de plancharla de nuevo. El

planchado lo haremos igual que en la primera ocasin, con la plancha a la temperatura

adecuada, y desplazndola progresivamente en franjas paralelas, evitando que queden

burbujas de aire entre el papel y la placa, especialmente en las zonas con tner. Tras

planchar la dejaremos enfriar hasta que se encuentre a temperatura ambiente. Mientras

tanto podremos volver a preparar la cubeta con el agua caliente y el detergente.

11-Cuando la placa se haya enfriado la sumergiremos de nuevo durante unos 15

minutos en la cubeta de agua caliente. No hay que preocuparse por la primera cara, ya

que el agua caliente no la afectar, nicamente hay que evitar rozarla o rascarla sin

querer. Cuando el papel est totalmente empapado podremos comenzar a retirarlo

rasgndolo suavemente en tiras. Al acabar dejaremos secar la placa y revisaremos

ambas caras.

12-Tras secar la placa se debe comprobar que las dos caras estn bien alineadas y que

todas las pistas se han transferido correctamente. Para ello las podemos comparar con

las de los negativos originales. Si detectamos que alguna pista no se ha transferido bien

la repasaremos con un rotulador indeleble, de esos resistentes al agua, dejndola tal

como debera haber quedado. Si alguna de las caras transferidas presenta demasiados

errores lo mejor ser repetirla, pero para ello antes habr que limpiar el tner transferido

para dejarla lista de nuevo. Para limpiar la cara deberemos frotarla con un papel de

celulosa empapado en disolvente. A medida que frotemos el tner se ir disolviendo y el

cobre quedar totalmente visible. Es posible que haya que darle varias fortadas hasta

que la cara quede totalmente limpia, pero en todo momento hay que evitar que el

disolvente llegue a la cara correcta que no tiene errores, puesto que la podria dejar

inservible y tendramos que repetirla tambin.

13-Una vez las caras del PCB estn correctamente transferidas al cobre, toca sumergir

la placa en la cubeta con el cloruro frrico para que este se coma el cobre sobrante y

deje slo las pistas protegidas por el tner. Durante el proceso, manipularemos la placa

con unas pinzas, a ser posible de plstico ya que probablemente las metlicas se

estropeen al contacto con el cloruro frrico. Debemos evitar en todo momento que el

lquido nos salpique ya que puede estropearnos la ropa, la mesa, o incluso si nos

descuidamos, puede producirnos alguna lesin en la piel. A medida que vayamos

removiendo el cloruro frrico este ir reaccionando con el cobre de la placa que no est

cubierto por tner y lo ir disolviendo. Deberemos procurar exponer las dos caras por

igual al lquido. Moverla con alguna esptula o balancear la cubeta acelerar el proceso,

que habr terminado cuando no se vea ningn resto de cobre y solo se vean las pistas

negras de tner.

Figura 38. Placa tras el bao en el Cloruro Frrico ( aun no se ha retirado el tner )

Ataque qumico con Cloruro frrico HClFe3

Cuando tenemos nuestra placa ya enmascarada por la tinta y perfectamente seca,

podemos comenzar el ataque qumico como ya se indic. Para este caso utilizaremos

una solucin que se vende para tal caso comnmente conocido como Cloruro Frrico, el

cual esta constituido por una parte de hidrogeno, una de cloro tres de fierro y seis partes

de agua, esta solucin es muy lenta para grabar circuitos impresos, pero tiene un grado

de peligrosidad bajo y no causo severos daos a las personas. Nos obstante su manejo

debe hacerse con mucho cuidado y guates de ltex.

Figura 39. Cloruro Frrico

Para comenzar el ataque primero debemos contar con un espacio con una ventilacin

adecuada y disponibilidad de agua corriente, estas son las nicas restricciones que nos

pide el mtodo, as es que bien podemos hacerlo a cielo abierto auxiliados de una

manguera o cubeta con agua.

Se vierte la solucin de cloruro frrico en un recipiente en donde quepa la totalidad de la

placa y esta sea cubierta por la el fluido, es indispensable que al recipiente sea de un

material no ferroso, tal como plstico o vidrio, en ningn caso se pondr utilizar un

recipiente o utensilios de de aluminio, cobre, acero, inox etc.

El ataque qumico comienza cuando la solucin entra en contacto con las reas de cobre

desprotegidas por la tinta. La corrosin y remocin total de dichas reas puede tardar

varios minutos, pudiendo reducirse el tiempo si existe una ligera agitacin de la

solucin al momento de estar el ataque. Cabe sealar que la temperatura juega un papel

importante, en un da muy glido la corrosin tardara mas que en un da caluroso, sin

embargo no se recomienda inducir calor a la solucin por ningn mtodo diferente a la

radiacin solar.

Una vez que se haya consumado la corrosin de aquellas reas indeseadas, podemos

extraer la placa de la solucin, enjuagarla perfectamente con agua y secarla con un

pao. Es indispensable hacer una revisin visual para determinar si ya no existe cobre

en las reas que deben estar limpias, y de encontrarse rastros de cobre se puede volver a

sumergir en la solucin hasta eliminar todo lo indeseado.

Ya con todas las reas limpias de cobre, podemos remover la tinta con solvente y en

estos momentos ya tenemos nuestra circuito grabado. Una ves removida la tinta ya no

podr sumergirse de nuevo ala solucin.

14-A continuacin, para dejar las pistas de cobre al descubierto, se debe eliminar con

disolvente el tner depositado sobre estas. Para ello nos ayudaremos de un papel de

celulosa empapado en disolvente, y frotaremos hasta haber eliminado todo el polvo de

tner adherido al cobre. Tras haber limpiado bien la placa y eliminado los restos de

tner solo deberan verse las pistas de cobre. Luego la aclarermos con agua y la

secaremos.

15-Llegados a este punto la placa ya est prcticamente lista y slo falta realizar los

agujeros para los componentes through hole ( los de patitas que atraviesan el PCB) y

para las vias ( los puntos de soldadura que uniran las pistas de las dos caras ). Antes de

comenzar a hacer los agujeros debemos marcar los puntos por donde vamos a taladrar

con un punzn (o clavo pequeo) dndole un golpecito muy suave a un extremo con un

martillo. Estas marcas guiaran la broca al taladrar evitando que se deslice o que el

agujero salga descentrado. Para realizar los agujeros utilizaremos un taladro pequeo de

tipo Dremel, a ser posible con soporte vertical ya que esto facilitar el centrado de los

agujeros respecto a los pads de los componentes y que estos salgan completamente

verticales a la placa. Lo aconsejable es hacer los agujeros de las vias con una broca muy

fina (ej. 0.4mm), lo justo para poder pasar el cablecito que unir las 2 caras. Para los

agujeros de los componentes usaremos una broca un poco ms gruesa (sobre 0.8 mm)

para que las patas de estos pasen sin problemas. Algo prctico, suele ser realizar un

agujero de 3,5mm en cada una de las esquinas de la placa para ms adelante poder

montar patas roscadas de soporte, que nos facilitarn su manipulacin y las tareas de

soldadura.

Figura 40. Cortando el sobrante de hilo de cobre de las vas.

Figura 41 Terminada y con algunos componentes soldados.

Con las pistas tranferidas a la placa y los agujeros hechos, ya tendremos la placa lista

para comenzar a soldar los componentes.

Corte y barrenado de circuito impreso

Ya que tenemos la placa grabada, hay que hacerle los cortes para dejarla de las

dimensiones adecuadas, as como tambin realizar los orificios en donde se montaran

los circuitos, resistencias y dems dispositivos que componen el circuito completo.

El corte se realiza por medio de una maquina mecnica tipo cizalla y los barrenos se

hacen con un pequeo taladro montado en una base firme con movimiento vertical

Para los diferentes circuitos se emplean diversos tamaos de barrenos siendo el mas

pequeo 1/32 y el mas grande de 1/8 empleado nicamente para tornillos de sujecin.

Para las resistencias, capacitares y circuitos integrados utilizamos una broca de 1/32,

para componentes mas robustos como diodos, headers, utilizamos broca 3/64 y para

los dispositivos de potencia como transistores, diodos y cables de alimentacin

utilizamos broca de c 1/16