Repositorio Institucional de Documentos

ÍNDICE GENERAL Página MEMORIA............................................................................................................... 3 1.- Introducción al proyecto.................................................................... 5 1.1.- Objeto........................................................................................ 5 1.2.- Alcance...................................................................................... 6 1.3.- Antecedentes............................................................................. 7 2.- Análisis de la maqueta....................................................................... 8 2.1.- Documentación del sistema de inyección................................. 8 2.2.- Esquema eléctrico original........................................................ 11 2.3.- Esquema eléctrico de la maqueta............................................. 12 2.4.- Comprobación de componentes............................................... 13 3.- Puesta en marcha de la maqueta...................................................... 15 3.1.- Recolocación del volante de inercia......................................... 16 3.2.- Adaptación del la sonda de nivel de aceite............................... 18 4.- Panel simulación de sensores.......................................................... 19 4.1.- Sensores de temperatura.......................................................... 19 4.2.- Caudalímetro............................................................................. 23 4.3.- Captador de presión de combustible en el raíl común............. 24 4.4.- Circuito de simulación del caudalímetro y sensor de presión del gasoil.................................................. 25 4.5.- Conexionado............................................................................. 26 4.6.- Cableado del sistema de simulación........................................ 27 4.7.- Simulación del sensor de velocidad.......................................... 27 5.- Visualización....................................................................................... 29 5.1- Microcontrolador......................................................................... 29 5.2.- Forma de visualización............................................................. 30 5.2.1.- Módulos de 7 segmentos (Opción)............................... 30 5.2.2.- Pantalla LCD (Solución adoptada)................................ 33 5.3.- Adquisición de datos................................................................. 35 5.4.- Programación............................................................................ 38 5.5.- Conexionado............................................................................. 49 5.6.- Acabado.................................................................................... 50 5.7.- Posibles fallos y soluciones propuestas................................... 51 6.- Instalación eléctrica........................................................................... 53 6.1.- Conexionado............................................................................. 53 6.2.- Pulsador de seguridad.............................................................. 55 7.- Acabado final....................................................................................... 56 7.1.- Saneado de la instalación......................................................... 56 7.2.- Etiquetado del panel de simulación.......................................... 58 1 ÍNDICE GENERAL 8.- Procedimiento para la creación de una PCB................................... 59 9.- Instalación de la mampara de protección........................................ 61 10.- Manual de uso................................................................................... 62 11.- Bibliografía y programas usados.................................................... 63 PRESUPUESTO..................................................................................................... 64 PLANOS................................................................................................................. 65 1.- Simulador de Caudalímetro y sensor de presión............................ 66 2.- Control de velocidad del motor de 12V............................................ 67 3.- Alimentación de Arduino, LCD y contraste...................................... 68 4.- Panel de simulación........................................................................... 69 ANEXOS................................................................................................................. 70 1.- Hojas de los sensores de Autodata.................................................. 71 2.- Datasheet LM7805 y LM7808............................................................. 76 3.- Datasheet TIP41C............................................................................... 78 4.- Datasheet LCD RT204-1..................................................................... 79 5.- Datasheet ATMEGA168...................................................................... 80 6.- Descripción de Arduino Diecimila.................................................... 86 7.- Datasheet del contactor LC1D25P7.................................................. 89 8.- Sistema Common Rail........................................................................ 91 9.- Hojas de componentes de Autodata................................................. 93 10.- Manual de programación................................................................. 105 2 MEMORIA ÍNDICE 1.- Introducción al proyecto.................................................................... 3 1.1.- Objeto........................................................................................ 5 1.2.- Alcance...................................................................................... 6 1.3.- Antecedentes............................................................................. 7 2.- Análisis de la maqueta....................................................................... 8 2.1.- Documentación del sistema de inyección................................. 8 2.2.- Esquema eléctrico original........................................................ 11 2.3.- Esquema eléctrico de la maqueta............................................. 12 2.4.- Comprobación de componentes............................................... 13 3.- Puesta en marcha de la maqueta...................................................... 15 3.1.- Recolocación del volante de inercia......................................... 16 3.2.- Adaptación del la sonda de nivel de aceite............................... 18 4.- Panel simulación de sensores.......................................................... 19 4.1.- Sensores de temperatura.......................................................... 19 4.2.- Caudalímetro............................................................................. 23 4.3.- Captador de presión de combustible en el raíl común............. 24 4.4.- Circuito de simulación del caudalímetro y sensor de presión del gasoil.................................................. 25 4.5.- Conexionado............................................................................. 26 4.6.- Cableado del sistema de simulación........................................ 27 4.7.- Simulación del sensor de velocidad.......................................... 27 5.- Visualización....................................................................................... 29 5.1- Microcontrolador......................................................................... 29 5.2.- Forma de visualización............................................................. 30 5.2.1.- Módulos de 7 segmentos (Opción)............................... 30 5.2.2.- Pantalla LCD (Solución adoptada)................................ 33 5.3.- Adquisición de datos................................................................. 35 5.4.- Programación............................................................................ 38 5.5.- Conexionado............................................................................. 49 5.6.- Acabado.................................................................................... 50 5.7.- Posibles fallos y soluciones propuestas................................... 51 6.- Instalación eléctrica........................................................................... 53 6.1.- Conexionado............................................................................. 53 6.2.- Pulsador de seguridad.............................................................. 55 7.- Acabado final....................................................................................... 56 7.1.- Saneado de la instalación......................................................... 56 7.2.- Etiquetado del panel de simulación.......................................... 58 8.- Procedimiento para la creación de una PCB................................... 59 3 MEMORIA 9.- Instalación de la mampara de protección........................................ 61 10.- Manual de uso................................................................................... 62 11.- Bibliografía y programas usados.................................................... 63 4 MEMORIA Introducción 1.- INTRODUCCIÓN 1.1.- Objeto El objetivo del proyecto que nos ocupa es la puesta en funcionamiento y mejora de la maqueta de inyección del motor DW10TD proveniente de un Citröen Xsara 2.0 HDI. La maqueta se usará para ver como afectan ciertos parámetros característicos del motor a la hora de calcular el mapa de inyección en la unidad de control. Esta maqueta, entre otras cosas se va a usar para docencia en prácticas de laboratorio del departamento de Máquinas y motores térmicos de la Universidad de Málaga. Por ello se requiere la maqueta sea robusta y no se dañe ni con el tiempo ni con el uso. El control de la maqueta debe de ser eficaz y preciso, para ello han de poder visualizarse los parámetros característicos del motor en tiempo real, así como variarlos dentro de unos márgenes en que la unidad de control no presente errores. Es importante que la interfaz de la maqueta sea robusta e intuitiva, ya que se va a usar para docencia La seguridad de alumnos y profesores debe de ser prioritaria por ello habrá hacer mejoras en este aspecto. 5 MEMORIA Introducción 1.2.- Alcance La puesta en funcionamiento de esta maqueta no se presenta como una tarea simple. La instalación eléctrica de la maqueta presenta numerosos problemas que procedo a enumerar: ●Se saneó la instalación cortando los cables que en un principio no sirven pero no hay documentación de cuales se han cortado y cual era su función. ●La maqueta ha pasado por varios grupos que han querido hacerla funcionar y no se sabe que cambios han podido hacer porque tampoco hay nada documentado. ●Los sensores que se han simulado están mal dimensionados. ●El sensor de nivel de aceite no está colocado. ●El volante de inercia está montado delante, pero no se tubo en cuenta que su asimetría. Como mejoras del funcionamiento y usabilidad de la maqueta se ven a proponer las siguientes: ●Reconstrucción de los sensores simulados. ●Visualización de los parámetros simulados en tiempo real. ●Sistema de control de tiempo para la medición de consumo (cronometro). ●Recolocación del volante de inercia. ●Recipiente para el sensor de nivel de aceite. ●Instalación eléctrica de 230V para la conexión de la fuente de alimentación. ●Confección de toda la documentación del sistema eléctrico de la maqueta. ●Etiquetado de los componentes de la maqueta. ●Saneado de la instalación. ●Montaje de un sistema de seguridad para cortar la corriente en caso de avería o accidente.(foto final) ●Colocación de una mampara de protección para el caso de que alguna pipeta estallase. ●Iluminación de las pipetas. Una vez puesta en funcionamiento la maqueta, se pretende que con estas mejoras se convierta en una buena herramienta didáctica y de investigación. 6 MEMORIA Introducción 1.3.- Antecedentes La maqueta sobre la que se va a desarrollar el proyecto está basada el motor DW10TD de Citröen que monta el Citröen Xsara 2.0 HDI de primera generación. Los datos del proyecto y el motor son los siguientes: Nº de chasis: VF7N1RHYF36926071 Cilindrada: 1997 cm3. Diámetro x Carrera: 85 x 88 mm. Relación de compresión: 17,6 a 1. Presión de compresión: 25 a 30 bar. Régimen máximo de giro: 5300 rpm. Potencia máxima: 90 C.V. a 4000 rpm. El motor está montado sobre un bastidor autoportante, realizado con perfiles de sección rectangular y soldados por arco eléctrico. En la maqueta se se pueden identificar fácilmente los componentes, sistema de alimentación de aire, alimentación de combustible, circuito eléctrico y componentes electrónicos. Un motor eléctrico asíncrono de 4 kW trifásico de 2 polos (2865 rpm) mueve a través de una transmisión 1:2 el motor, moviendo el volante de inercia, el árbol de levas y la bomba de alta presión. El bloque motor ha sido seccionado para disminuir el peso y facilitar la visión de las partes internas del motor. El corte no afecta a la bomba de alta presión, al captador del arbol de levas o a la zona donde está situada la correa de la distribución. Se adjuntan unas fotos de la maqueta y se remite al proyecto original para ver los detalles: Titulo: Diseño y construcción de maqueta para el estudio de los parámetros de funcionamiento del motor DW10TD HDI que equipa un Citröen Xsara. Nº de proyecto: PFC/1768 Autores: Javier Martinez Poveda y Francisco Ramírez Écija Tutores: Juan Antonio Auñón Hidalgo y Manuel González Aragón Fecha: Septiembre de 2005 7 MEMORIA Análisis del estado de la maqueta 2.- ANALISIS DEL ESTADO DE LA MAQUETA El análisis de la maqueta se ha realizado entre dos alumnos Mariano Sanchez Gutierrezy yo, Jorge Arancón Beobide. 2.1.- Documentación del cableado del sistema de inyección Dada la ausencia de documentación fiable de la maqueta se decidió hacer un seguimiento a cada cable de la maqueta con la finalidad confeccionar unas tablas con las que posteriormente se confeccionaría un esquema eléctrico en Autocad. De la revista técnica se ha obtenido el esquema eléctrico del sistema de inyección y se ha pasado a formato cad. El esquema original y el real de la maqueta se pueden ver en la siguientes páginas.Con ambos esquemas confeccionados se pudo confirmar el conexionado de cada componente y ver las diferencias entre ambos. Se ha podido ver como están conectados todos los componentes y confirmar que componentes están presentes en la maqueta y cuales se han eliminado o simulado. Mientras se procedía a la documentación del cableado de la maqueta se han hecho esquemas de cada conector para poder hacer el seguimiento de los cables de forma mas cómoda. En los esquemas realizados solamente se ha incluido la parte de la instalación que afecta al sistema de inyección, el resto de la instalación se ha incluido en forma de tabla en los anexos. De todo este trabajo se han detectado varias incongruencias con el esquema original, se detallan a continuación. En la BSI (Caja de servicios inteligente) se ha detectado la falta de tres alimentaciones: ●Conector Negro 16V Pin 13 a la caja de fusibles BH28 F27. ●Conector Verde 16V Pin 16 a la caja de fusibles BM34. ●Conector Verde 16V Pin 13 a la caja de fusibles BH28. La BSI es parte fundamental en el sistema de inyección de este motor, sin embargo tiene otras muchas funciones, como el control del aire acondicionado, elevalunas... Por ello la falta de estas alimentaciones no supone un problema para el funcionamiento del motor. El recalentador del gasoil se ha eliminado pero esto no produce ningún tipo de fallo en la unidad de control puesto que es un dispositivo autónomo, se desconecta al llegar a cierta temperatura. La electroválvula EGR con el código 1253 se ha eliminado y la 1244 se ha sustituido por el led numero 5 en el panel de simulación. Los ventiladores ha sido eliminados y su conector se ha dejado al aire por lo que la unidad de control lanza una avería al no detectar sistema de refrigeración. Se ha intentado reconectar los ventiladores pero la unidad de control tiene averiadas esas salidas. Los ventiladores está comandados por dos relés ( 1ª velocidad y 2ª velocidad). El circuito de mando está alimentado a través del relé doble mientras que el circuito de potencia está alimentado de forma permanente a través de la caja de fusibles BM34. La masa del circuito de mando viene dada por los terminales 83 y 25 de la unidad, 1ª velocidad y 2ª velocidad respectivamente. 8 MEMORIA Análisis del estado de la maqueta Dichos pines de la unidad dan un valor erróneo que fluctúa entre 3 y 4 V a pesar de que la UEC detecte alta temperatura. Los ventiladores deberían encenderse a 93/97ºC la primera velocidad y a 101/105ºC la segunda velocidad. Conectores presentes en la maqueta. Estos conectores están marcados en la realidad con la letra C y el número. 9 MEMORIA Puesta en marcha de la maqueta 3.1.- Recolocación del volante de inercia. Tras una primera conexión con una máquina de diagnostico se pudo observar que que la UEC no detectaba sincronismo entre el captador del árbol de levas y el captador de revoluciones. Con este dato se dedujo que la distribución estaba mal hecha. Como puede verse en el proyecto original de la maqueta, el volante de inercia fue traído de la parte trasera del bloque a la delantera porque parte de la trasera del bloque fue seccionada. El hecho de traerlo a la parte delantera implica que el volante es colocado de forma simétrica para que pueda atornillarse correctamente. Esto implica que la marca que tiene el volante para calcular el punto muerto superior no queda en la misma posición si no en la simétrica respecto al eje vertical. El dibujo de la derecha trata de ilustrar esta modificación. Como puede verse en el dibujo el sentido de giro relativo al cambiar de posición el volante cambia. Esto quiere decir que los grados de desfase entre el captador y la marca pasan a ser B a 360-B. Por lo tanto había que girar el volante de inercia en el sentido de giro 360-2·B, este ángulo se cifró en unos 30º o lo que es equivalente 5 dientes del volante de inercia, ya que este tiene 60 dientes. Se cambió en un primer momento la posición del captador ( 5 dientes en el sentido contrario al de giro) para ver el correcto funcionamiento del motor. Una vez confirmado que los cálculos eran correctos y el motor funcionaba, se devolvió el captador a su posición. Para el acabado final se desmontó la correa de la distribución, se giró 5 dientes hacia la derecha (sentido de giro) el volante de inercia y se volvió a montar la correa. Siempre manteniendo fijo el árbol de levas. En la fotografía se ven las marcas realizadas antes de desmontar utilizadas para realizar el nuevo calado. Marcan la posición original y la modificada. 16 MEMORIA Puesta en marcha de la maqueta Para futuras puestas en marcha se han hecho tres marcas en el volante de inercia en el diente que coincide con el sensor de rpm en el punto en que puede bloquearse el árbol de levas. 17 MEMORIA Puesta en marcha de la maqueta 3.2.- Colocación del sensor de nivel de aceite Para la colocación del nivel de aceite se pensó en un principio en introducirlo en el propio deposito de aceite que se usa para la lubricación. Esta solución se descartó debido a que el sensor de nivel es demasiado largo y no cabía en el deposito. La solución que se adoptó finalmente fue la creación de un deposito para esta función con una botella de policarbonato de 500 ml inicialmente de Aquarius. Al tapón se le ha hecho un agujero para roscar el sensor de nivel. El deposito se la llenado de aceite a falta de 4 cm, el sensor de nivel se ha roscado al tapón e introducido en la botella. Esta forma de proceder hace que sea sencillo la sustitución del sensor de nivel. El pequeño deposito se ha sujetado al bastidor de la maqueta en la parte inferior derecha. Se han utilizado dos bridas para evitar que caiga o se mueva. 18 MEMORIA Panel de simulación 4.- PANEL DE SIMULACIÓN DE SENSORES Como primera introducción creo conveniente detallar que tipo de sensores se van a simular. 4.1- Sensores de temperatura Los sensores de temperatura presentes en la maqueta son está formados por una resistencia NTC (Negative Tempretature Coefficient). Las resistencias NTC son variables con la temperatura, en este caso de coeficiente negativo. Siguen la siguiente formula: Como puede apreciarse, a mayor temperatura menor resistencia. Midiendo esta resistencia podemos aproximar la temperatura a la que se ve sometida la resistencia. La UEC se encarga de medir el valor del voltaje que hay en bornes de la resistencia. Ya que esta forma parte de un divisor resistivo alimentado a 5V y sabiendo el valor de la otra resistencia, midiendo el voltaje podemos calcular que resistencia tiene la NTC y con ello el valor de la temperatura. La fórmula mostrada con anterioridad es fiable siempre que la temperatura se mueva entre unos rangos admisibles, fuera de estos la formula pierde validez. Por ello el calculador tiene almacenado en la memoria la curva que sigue la resistencia NTC, para evitar la forma no exponencial y facilitar los cálculos. Para la simulación de parámetros nos encontramos que en la maqueta se montaron una serie de potenciómetros tomados en función de las características de cada sensor, así por ejemplo un sensor de temperatura NTC de 25 KOhmios fue simulado por un potenciómetro de 25 KOhmios. Esto inducía a error al sistema ya que una NTC funciona según la siguiente ecuación: Siendo A y B constantes del sensor. De la fórmula se deduce que si la resistencia es 0 la temperatura es infinito. R=A∗eB/TempºK R=A∗eB/TempºK 19 MEMORIA Panel de simulación Del programa informático Autodata se han obtenido las tablas de temperaturas frente a resistencia del sensor que se adjuntan en el anexo. A partir de estas tablas se han calculado los parámetros característicos de los sensores de temperatura, quedando las siguientes formulas: Temperatura del gasoil: R=2,133 ·10−3∗e4151,17/TempºK Temperatura del aire de admisión: R=1,4707·10−2∗e3529,26/TempºK Temperatura del refrigerante: R=8,8766·10−3∗e3946,46/TempºK Colocando en las ecuaciones unos valores típicos de temperatura con los que la unidad de control no produce error se han dimensionado los potenciómetros e incluido resistencias para delimitar el rango de trabajo. Los valores de temperatura tomados para cada sensor a simular han sido: Temperatura del gasoil: -5ºC a 100ºC Temperatura del aire de admisión: -15ºC a 50ºC Temperatura del refrigerante: -10ºC a 130ºC A continuación se detallan los esquemas de los sensores simulados: Temperatura del gasoil: 20 MEMORIA Panel de simulación Temperatura del aire de admisión: Temperatura del refrigerante: 21 MEMORIA Panel de simulación Para poder regular los máximos de los sensores se han sustituido las resistencias que limitan los máximos por unos potenciómetros, con el fin de poder ajustarlo de forma precisa. De esta forma no tenemos porqué tener en cuenta la tolerancia de las resistencias, o la resistencia de los cables. El ajuste de los mínimos ha sido algo mas complejo, ya que solo se dispone de valores comerciales para los potenciómetros de eje. Para ello se han colocado potenciómetros de ajuste en paralelo con el potenciómetro de eje de un valor de 100 KiloOhmios para poder variar el valor del potenciómetro de eje. El hecho de incluir un potenciómetro en paralelo hace que la curva se variación del potenciómetro se haga más logarítmica. Los potenciómetro de eje utilizados han sido logarítmicos a fin de compensar la curva exponencial de la NTC y conseguir un ajuste más lineal. En la puesta en marcha se han ajustado a los valores dichos anteriormente, esto se ha realizado mediante una herramienta de diagnostico TEXA conectada mediante conexión OBD a la centralita. 22 MEMORIA Panel de simulación 4.2- Caudalímetro o debímetro El caudalímetro es utilizado para medir el flujo de aire que entra en el motor, es decir, la cantidad de aire que entra a los cilindros. Los medidores por película caliente como el montado en este motor, basan su funcionamiento en elevar la temperatura de un sensor térmico a una media de 120 ºC, dependiendo del fabricante. El aire que fluye por la canalización donde se encuentra ubicado el medidor de masa, enfría a su paso al sensor térmico. La electrónica del caudalímetro al detectar el descenso de temperatura del sensor, intenta que éste recupere su temperatura inicial mediante el suministro de una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica será la corriente de referencia para conocer la cantidad de aire que entra al motor. La unidad de mando del motor, interpreta la variación de voltaje recibida del caudalímetro como el estado de carga del motor y calcula la inyección; sin obviar que también son activados los sistemas de recirculación de gases de escape en mayor o menor grado dependiendo, lógicamente, de la carga del motor. El fallo de este componente provoca que la UEC entre en modo avería y limite el funcionamiento del motor. Para la simulación de este tipo de sensor se ha construido un circuito, que genera en función de la posición de un potenciómetro un rango de voltaje admisible por la unidad de control. Los valores que deben simularse se han obtenido del programa Autodata, puede verse en el anexo. A continuación de detalla el circuito: 23 MEMORIA Panel de simulación 4.3- Captador de presión del combustible en el rail comun Es importante para el buen funcionamiento del motor, controlar la presión reinante en el rail común ya que, calculada una cantidad de combustible a inyectar y sabiendo esta presión se podrá calcular el tiempo que ha de estar abierto el inyector. La forma mas fiable de medir presión es mediante un puente de Wheatstone con dos galgas extensométricas, una de ellas sometida a la presión (GALGA_2) y la otra para compensar la temperatura (GALGA_1). A la salida del puente (A-B) se coloca un amplificador para transformar las pequeñas variaciones de tensión en un valor entre 0 y 5 V que pueda ser leído por la UEC y sea inmune a interferencias. El motivo por el que las galgas están colocadas en un puente de Wheatstone es porque estás tienen una variación por la presión muy pequeña respecto a su valor nominal, apenas algunos ohmios. Por lo tanto si las colocásemos directamente como las NTC las variaciones de tensión serían demasiado pequeñas y difíciles de amplificar puesto que tendrían un gran offset. Al colocar las galgas en el puente entre los terminales A-B solo apreciamos esta variación, sin offset, siendo muy fácil amplificarla. Además podemos compensar la temperatura. El principio de funcionamiento del puente parte de que R1/R2 = GALGA_1/GALGA_2. Para esta condición la tensión entre los puntos A y B es 0, ahora cualquier variación de presión en la galga 1 se verá reflejada de forma proporcional entre los terminales A y B. Y las variaciones que sufren las galgas por la temperatura se ven compensadas. Para la simulación de este tipo de sensor se ha construido un circuito, similar al del caudalímetro ya que la salida de ambos captadores es una tensión. Los valores que deben simularse se han obtenido del programa Autodata, puede verse en el anexo. Tras la realización de este circuito funcional se ha optado por la NO conexión del mismo ya que se ha considerado que este parámetro no es un parámetro externo si no que la propia centralita puede variarlo mediante el regulador de presión y la desactivación del tercer embolo de la bomba de alta. Como la centralita es la que controla la presión, si nosotros engañamos a la centralita la presión en el rail sería desconocida. Los tiempos de inyección serían generados a partir de la señal simulada. Pero dado que la presión real es diferente a la simulada la cantidad de combustible inyectado no sería la correcta. 24 MEMORIA Panel de simulación A continuación de detalla el circuito 4.4- Circuito de simulación del Caudalímetro y sensor de presión del gasoil Ambos captadores, caudalímetro y sensor de presión se han integrado en un circuito. La alimentación de la que podemos disponer en la maqueta son 12 V, sin embargo estos sensores están alimentado por la UEC a 5V. Por ello se ha colocado un regulador de tensión de 5V LM7805 de 1W, mas que suficiente para esta función. Se ha estimado y posteriormente comprobado que la resistencia interna de la UEC era despreciable, entorno a los 100 KOhmios. Por ello no se ha visto la necesidad de incluir transistores o elementos que puedan dar mas corriente. El circuito montado no es mas que un divisor de tensión, se han colocado resistencias de tolerancia 5% y potenciómetros de ajuste para obtener una buena precisión. Ambos sensores se han montado en una misma placa de circuito impreso. El plano a escala 1:1 se adjunta en los anexos. 25 MEMORIA Visualización Con memoria, cada módulo sería complicado de montar y sería caro. 32 MEMORIA Visualización 5.2.2.- Pantalla LCD (Elección) La opción que finalmente fue tomada fue la visualización mediante una pantalla LCD. Las pantalla LCD tampoco es una tecnología puntera por ello su precio tampoco es elevado. Hay de muchos tipos según su tamaño, color, retroiluminación, tipo de comunicación... La pantalla elegida ha sido una de 4 lineas y 20 caracteres por linea, en este tamaño pueden representarse los cinco parámetros importantes y el cronometro. En cuanto al color elegido, el de fondo azul y caracteres en blanco es el que mejor contraste ofrece en caso de tener retroiluminación por ello se ha escogido retroiluminada ya que mejora notablemente la visibilidad del contenido. En cuanto al tipo de comunicación ha habido que elegir entre comunicación serie mediante el protocolo I2C y la conexión en paralelo mediante 4 u 8 lineas. La conexión mediante I2C precisa únicamente de dos lineas de datos y alimentación y masa. Al final y por motivos económicos se ha optado por la conexión en paralelo, requiere circuitería para manejar el contraste, 4 lineas de datos y otras 2 de control pero aun así no es complicado de implementar y a un precio que puede llegar a ser la mitad que una con conexión I2C. Se remite al anexo para ver el datasheet de la pantalla y su conexionado. Para la alimentación del conjunto, control del contraste y la retro iluminación se ha diseñado un circuito que alimentándolo a 12V (tensión tomada después de contacto) proporciona tensión a la placa del microcontrolador (8V), pantalla LCD (5V), ajusta contraste y la intensidad de la retroiluminación. La masa para el circuito se ha tomado del terminal 22 de la UEC (masa electrónica), ya es esta es la masa que utilizan los sensores. Entre el terminal 22 y masa caen 0,7V. Como el circuito se alimenta a 12V se han incluido dos reguladores de tensión, uno a 8V para alimentar la placa Arduino y otro a 5V para alimentar la pantalla LCD y hacer el ajuste de contraste y retroiluminación. El circuito incluye dos potenciómetro de ajuste de 1 y 10K destinados a controlar la iluminación y el contraste respectivamente. 33 MEMORIA Visualización La iluminación del LCD está realizada con unos leds colocados en el canto del cristal de la pantalla. Estos leds funcionan aproximadamente a 2,4V por lo que hay que poner una resistencia de polarización, en esta resistencia caerán 2,6 V aproximadamente por lo tanto variando el valor de esta resistencia (potenciómetro) se variará la intensidad que atraviesa el led y así su luminosidad. Para evitar que el led se queme se ha colocado una resistencia mínima de 100 Ohmios que proporciona la corriente máxima soportada por el diodo. En la pantalla LCD hay un terminal destinado a controlar el contraste, en dicho terminal hay que colocar una tensión entre +Vcc (5V) y masa. Por ello en el circuito se ha colocado un potenciómetro cuyos extremos están conectados a 5V y a masa y su cursor al terminal del contraste del LCD. Se ha tomado un valor de 10K para que la corriente que circula por el potenciómetro sea baja. La placa de circuito impreso que se ha diseñado es la siguiente, en los planos se detalla a escala 1:1: El conector X4 (arriba) que es el que alimentaría la placa del microcontrolador se ha sustituido durante el montaje por dos cables soldados a la placa a través de un agujero y un conector tipo jack al otro extremo de los cables. Esto se ha hecho así porque el circuito de alimentación va a ir colocado a escasos centímetros del microcontrolador, de esta forma a la placa del microcontrolador se le puede conectar directamente la alimentación a través de la toma de corriente tipo jack que incorpora la placa. 34 MEMORIA Visualización 5.3.- Adquisición de datos Las señales que tomamos para la lectura de los parámetros, se han tomado del terminal común de los conmutadores del panel de simulación. Estos están conectados directamente a la UEC y así podemos medir tanto los valores simulados como los reales. El conversor A/D del microcontrolador admite valores entre 0 y 5V. La alimentación que proporciona la centralita a los sensores son 5V, por lo que no ha resultado necesaria la inclusión de etapas amplificadoras ni de ganancia positiva ni negativa. Los cables se han canalizado por el pasacables hasta la placa del microcontrolador y se ha colocado un terminal molex de 5 pines hembra que puede conectarse a los 5 pines macho de la placa correspondientes al conversor analógico/digital. A fin de minimizar las interferencias provocadas por la fuente de alimentación y variador de frecuencia del motor, situados a escasos centrimetros, se ha forrado el pasacables con cinta de aluminio para apantallar los cables. El pasacables ha sido atornillado al bastidor metalico mediante tornillos pasantes. 35 MEMORIA Visualización Como ya se ha comentado la lectura tensión en los terminales de los sensores tanto reales como simulados es equivalente a leer la resistencia en el caso de los sensores NTC. Por ello en vez de averiguar la temperatura usando la fórmula, que como ya se ha comprobado no funciona en todo el rango, vamos a hacer unas tablas de valores ayudándonos de la maquina de diagnostico Texa. Para el procedimiento se ha modificado la programación del microcontrolador para que mostrase el voltaje leído en cada sensor. De esta forma se han generado las siguientes tablas: Temperatura del Aire ºC V A/D -10 3,85 788 -5 3,6 737 0 3,38 692 5 3,15 645 10 2,88 590 15 2,63 539 20 2,43 498 25 2,18 446 30 1,97 403 35 1,73 354 40 1,52 311 45 1,38 283 46 1,34 274 Temperatura del gasoil ºC V A/D 22 2,6 532 25 2,43 498 30 2,13 436 35 1,92 393 40 1,61 330 45 1,43 293 50 1,27 260 Temperatura del refrigerante ºC V A/D 20 3,19 653 25 2,91 596 30 2,63 539 35 2,39 489 40 2,09 428 45 1,87 383 50 1,66 340 55 1,46 299 60 1,29 264 65 1,11 227 70 0,95 195 75 0,83 170 80 0,72 147 85 0,61 125 90 0,52 106 95 0,44 90 100 0,39 80 105 0,33 68 110 0,27 55 115 0,22 45 120 0,19 39 125 0,17 35 130 0,13 27 36 MEMORIA Visualización En cada tabla se han ido tomando el valor del voltaje para cada medida. Tras esto en la hoja de calculo se han calculado los valores leidos internamente en el conversor analogico digital del microcontrolador. El proposito de calcular esta ultima columna es para que el microcontrolador trabaje con número enteros en lugar de números en coma flotante. La formula para convertir de uno a otro es muy simple, el rango del conversor es de 0 a 5 V y a la hora de leer te devuelve un número entre 0 y 1023. Por lo que A/D=V*1024/5 Caudal de aire Kg/h V A/D 525 4,62 946 500 4,56 934 450 4,42 905 400 4,27 874 350 4,12 844 300 3,95 809 250 3,76 770 200 3,56 729 150 3,29 674 100 2,97 608 75 2,75 563 50 2,44 500 30 2,04 418 25 1,82 373 Presion del combustible Bar V A/D 0 0,31 63 8 0,5 102 345 1,4 287 392 1,49 305 400 1,57 322 424 1,59 326 506 2,09 428 698 2,4 492 37 MEMORIA Visualización 5.4.- Programación Explicado con un diagrama de flujo la programación del microcontrolador es la siguiente: 38 MEMORIA Visualización Cada sensor se lee de la siguiente forma: 39 MEMORIA Visualización El cronometro se actualiza de la siguiente forma: 40 MEMORIA Visualización El programa resultante es el siguiente: #include <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7); //RS Enable D4 D5 D6 D7 int sensor[5] = {0, 1, 2, 3, 4}; // Pines del conversor A/D (Temp. Agua, Presion gasoil, Temp. gasoil, Caudal de aire, Tem. aire) int botonCronometro = 9; int celsiusKelvin = 8; int segundosA0 = 0; char espacios[] = {" "}; byte temperatura[8] = { B00100, B00111, B00100, B00111, B00100, B01110, B01110, B00100,}; byte presion[8] = { B00000, B00100, B00100, B00100, B01110, B00100, B11111, B11111,}; byte flujo[8] = { B00000, B11111, B00000, B00010, B11111, B00010, B00000, B11111,}; byte flechag[8] = { B00000, B00000, B11100, B00100, B00100, B10101, B01110, 41 MEMORIA Visualización lcd.print(valorReal); lcd.print("bar"); }else {return valor[1];} return valorReal; } void cronometro (double inicial){ int segundos, minutos; // Calculo del minutos y segundos segundos = (millis()/1000 - inicial); minutos=segundos/60; segundos=segundos-minutos*60; lcd.setCursor(14,0); // Represento en la LCD lcd.print(minutos); lcd.print(":"); if (segundos<10){ lcd.print("0"); lcd.print(segundos);} else {lcd.print(segundos);} } 48 MEMORIA Visualización 5.5.- Conexionado El conexionado del sistema es sencillo. Se han realizado marcas en los conectores que tienen varias posiciones para evitar ponerlos al revés. A continuación se muestra un esquema del conexionado: 49 MEMORIA Visualización 5.6.- Acabado Tanto la placa Arduino como el regulador de voltaje se han instalado en una caja para montajes electrónicos de plástico ABS de 100x60x25 mm. Esta se ha sujetado a la parte trasera de la maqueta mediante dos tornillos roscados en el aglomerado. Los componentes se han fijado a la caja mediante tornillos roscado en a la propia caja. La caja se ha recubierto de cinta de aluminio y conectado a masa para reducir las perturbaciones electromagnéticas. Los cables usados para conectar la placa con la pantalla son de tipo cinta para que fuese más cómodo y flexible. Los terminales de la cinta se han soldado a una tira de pines hembra y recubierto las soldaduras con pegamento para sellar juntas para evitar falsos contactos y mejorar la durabilidad. La pantalla se ha colocado en el mismo panel que el cuadro de instrumentos original . Se ha recortado un cuadro en el panel plástico mientras que el metacrilato se ha dejado intacto para que proteja la pantalla. 50 MEMORIA Visualización 5.7.- Posibles fallos y soluciones propuestas La pantalla no muestra nada pero está encendida Para empezar deberíamos comprobar que el conexionado esté bien hecho y ningún conector se haya soltado. Si el ajuste del contraste no está bien tuneado puede no verse nada en la pantalla aunque en realidad esté. El sistema de visualización no es infalible, la memoria del microprocesador puede corromperse con motivo de la interferencias electromagnéticas. No es probable pero puede ocurrir. El procedimiento de reprogramación es el siguiente: 1. Descargar e instalar el software de Arduino 0018 (http://arduino.cc/en/Main/Software ) 2. Copiar el codigo proporcionado en el proyecto en un nuevo documento 3. Comprobar la sintaxis del programa → Sketch > VerifY/Compile 4. Seleccionar el modelo de la placa → Tools > Board > Arduino Diecimila 5. Seleccionar la conexión → Tools > Serial Port > USB 6. Flashear el programa en el microcontrolador → File > Upoad to I/O Board La retroiluminación de la pantalla no se enciende Esto puede ser debido a que el ajuste de iluminación está al mínimo. Si no se resuelve el problema habrá que revisar el conexionado. Cuando la retroiluminación se estropea es poco probable que se fundan los dos leds a la vez, por lo que si no se enciende ninguno es probable que el problema no sea de la pantalla si no de la placa que controla la iluminación. La pantalla muestra caracteres extraños El microprocesador es sensible a las interferencias electromagnéticas. Cambios buscos en la corriente de cables cercanos pueden producir un fallos en el microprocesador, haciendo que pierda el hilo del programa. La forma de identificar este error es que la pantalla gerera caracteres extraños. La solución para este problema es sencilla, apagar y volver a encender. Para prevenir este problema hay que tener cuidado con las corrientes pulsantes, un claro ejemplo es el motor que hace girar el sensor de velocidad. Al pasar este de apagado a máxima velocidad hace que el microcontrolador falle. Para evitar este problema es mejor aumentar progresivamente la velocidad de este motor. 51 MEMORIA Visualización Sustitución de la placa Arduino o de la pantalla LCD En caso de necesitar sustituir la pantalla porque se haya estropeado será necesario elegir una con el chip Hitachi HD44780 de 20 caracteres por 4 lineas, de esta forma la programación será totalmente compatible. En caso de necesitar sustituir la placa Arduino y el microcontrolador elegiremos un Arduino Diecimila, los hay con los pines macho o hembra, elegiremos los macho para que no haya que modificar los cables. Tras sustituir la placa habría que cargar el programa en la memoria del microcontrolador de la forma que antes se ha descrito. 52 MEMORIA Instalación eléctrica 6.- INSTALACION ELECTRICA Y PARADA DE EMERGENCIA Se ha decidido hacer una instalación eléctrica de 230V en la maqueta a fin de simplificar la puesta en marcha. Para la conexión de la maqueta a la red se utilizará la toma externa trifásica. Para incrementar la seguridad del usuario y la integridad de la maqueta en caso de avería se ha instalado un contactor trifásico comandado por una seta de seguridad. En caso de pulsar la seta de seguridad el contactor se desactiva y corta la corriente trifásica y por lo tanto la corriente de toda la maqueta. Se han colocado dos interruptores en el panel de simulación para poder controlar por un lado el encendido de la maqueta y por el otro el encendido de la fuente de alimentación. Para que en la puesta en funcionamiento de la maqueta solo haya que conectar una manguera se ha colocado en el interior, junto a la fuente de alimentación, un enchufe para conectar ésta. De esta forma la fuente de alimentación puede extraerse de forma sencilla y la podemos desconectar mediante el pulsador de seguridad antes mencionado. Se ha utilizado un enchufe de montaje en superficie con toma de tierra y tapa y se ha atornillado al aglomerado. El contactor trifásico que se ha montado es un LC1D25P7 de Schneider Electric, se trata de un contactor activado por corriente alterna a 230V soporta hasta 11kW. Tiene además de los 3 contactos trifásicos dos contactos monofásicos, uno normalmente abierto y otro normalmente cerrado. Los terminales trifásicos soportan hasta 415Vac y 25A. Se ha colocado junto a la toma trifásica. Los interruptores utilizados en el panel son de tipo palanca con una intensidad máxima de de 6 amperios y un voltaje máximo de 230V. 53 MEMORIA Instalación eléctrica 6.1.- Conexionado 54 MEMORIA Instalación eléctrica 6.2.- Pulsador de seguridad La seta de seguridad se ha colocado en la parte inferior al panel de simulación de forma que quedase cerca de la posición del operador y a la derecha. La el pulsador se ha colocado en una placa de acero de 3 mm, sujeta al bastidor de la maqueta mediante cinco tornillos rosca chapa. Para el acabado final se ha pintado la chapa de negro y colocado un letrero de “Parada de emergencia”. 55 MEMORIA Acabado final 7.- ACABADO FINAL 7.1.- Saneado de la instalación El bastidor de la maqueta tiene unas varillas con el fin de organizar los cables. Tras el panel de simulador no había ningún tipo de sujeción para los cables, por ello de han colocado unas guías pasacables. Después de hacer toda la instalación eléctrica y comprobar el buen funcionamiento de la maqueta se han sujetado todos los cables en la parte trasera con bridas. El resultado ha sido el siguiente: 56 MEMORIA Acabado final En la parte trasera del panel de simulación se han colocado unas canaletas para los cables, estas, se han sujetado mediante tornillos pasantes a la estructura de la puerta. Antes Despues 57 PRESUPUESTO PRESUPUESTO Articulo Valor Unidades Precio/unidad Precio total Arduino + ATMEGA168 1 16,00 €/u 16,00 € LCD 20x4 RT204-1 1 12,00 €/u 12,00 € Potenciometro Ajuste 100 KOhmios 5 0,25 €/u 1,25 € Potenciometro Ajuste 1 Kohmio 6 0,17 €/u 1,02 € Potenciometro Ajuste 10 KOhmios 1 0,22 €/u 0,22 € Potenciometro Eje Log 10 KOhmios 1 1,00 €/u 1,00 € Potenciómetro Eje Log 4,7 KOhmios 1 1,04 €/u 1,04 € Potenciómetro Eje 10 KOhmios 1 1,18 €/u 1,18 € Potenciometro Eje Tandem 4,7 KOhmios 1 2,64 €/u 2,64 € LM7805 2 0,56 €/u 1,12 € LM7808 1 0,51 €/u 0,51 € PCB de baquelita 100x70 mm 2 0,80 €/u 1,60 € Acido Clorhidrico 1 litro 24,00% 1 1,50 €/u 1,50 € Agua Oxigenada 500 cl 110 vol 1 2,00 €/u 2,00 € Conector Molex 2 vias 7 0,10 €/u 0,70 € Conector Molex 5 vias 2 0,10 €/u 0,20 € Terminal pin 2.54 mm 4 0,03 €/u 0,12 € TIP41C 1 0,39 €/u 0,39 € Resistencia 1/4W 1 Kohmio 2 0,02 €/u 0,04 € Resistencia 1/4W 3,9 Kohimos 1 0,03 €/u 0,03 € Resistencia 1/4W 100 Ohmios 1 0,03 €/u 0,03 € Conector Jack 2,1 Macho 1 0,41 €/u 0,41 € Caja de montaje 100x60x25 mm 1 3,73 €/u 3,73 € Pulsador de emergencia 1 13,85 €/u 13,85 € Contactor monofásico 1 5,30 €/u 5,30 € 1 35,00 €/u 35,00 € Interruptores simples 1 1,50 €/u 1,50 € Enchufe de superficie 1 3,60 €/u 3,60 € Placa de hierro 30x20x3 1 1,50 €/u 1,50 € Regleta pasacables 2x2cm 2 metros 1 4,50 €/u 4,50 € Cable 2mm 6 0,25 €/u 1,50 € Cable de tres hilos 2mm 2 0,30 €/u 0,60 € Terminal Faston 6,32 mm 20 0,12 €/u 2,40 € Total 118,48 € Contactor LC1D25P7 64 PLANOS ÍNDICE 1.- Simulador de Caudalímetro y sensor de presión............................ 66 2.- Control de velocidad del motor de 12V............................................ 67 3.- Alimentación de Arduino, LCD y contraste...................................... 68 4.- Panel de simulación........................................................................... 69 65  7805TV 22-23-2021 22-23-2021 22-23-2021 1k5 3k9 1k 1k 1k VI 1 2 VO 3 IC1 GND X1-1 X1-2 X2-1 X2-2 X3-1 X3-2 R1 R2 R3 A E S R4 A E S R5 Pot 2k2 Caudalimetro Pot 1K Presión del gasoil 123 IC1 X1 X2 X3 R1 R2 R3 R4R5 7805TV 22-23-2021 22-23-2021 22-23-2021 1k5 3k9 1k 1k 1k 66  TIP41C A E S R1 Q1 X1-1 X1-2 X2-1 X2-2 TIP41C Q1 R1 X1 X2 67  7805T7808T 10k 100 1k 22-23-2021 22-23-2021 22-23-2051 VI 1 2 VO 3 IC1 GND VI 1 2 VO 3 IC2 GND A E S R1 R2 AE S R3 X1-1 X1-2 X4-1 X4-2 X5-1 X5-2 X5-3 X5-4 X5-5 IC1 IC2 R1 R2 R3X1 X4 X5 7805T 7808T 10k 100 1k 22-23-2021 22-23-2021 22-23-2051 68 69