sistema de control de velocidad de una centrífuga148.206.53.84/tesiuami/uami17166.pdf · corriente...

Universidad Autónoma Metropolitana

Unidad: Iztapalapa

División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Proyecto terminal:

SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD DE UNA

MAQUINA CENTRÍFUGA

Para obtener el grado de:

Licenciatura en Ingeniería Biomédica

Presenta: Efrén Huitrón Peralta

Índice

Dedicatoria ........................................................................................... i

Agradecimientos .................................................................................. ii

Justificación .......................................................................................... iii

Hipótesis ................................................................................................ v

Objetivos ................................................................................................ vi

Objetivo general ................................................................. vi

Objetivo especifico ............................................................ vi

Alcances del proyecto ...................................................................... vii

Vialidad del proyecto ......................................................................... vii

CAPÍTULO 1: Marco Teórico .............................................................. 1

1.1 Centrifugación ....................................................................... 1

1.1.1 Tipos de centrifugación ............................................ 2

1.1.2 Fundamentos de centrifugación ............................ 3

1.1.2.1 Procesos de Centrifugación ........................ 5

1.1.2.2 Fuerza Centrífuga .......................................... 7

1.1.3 Funcionamiento de una centrífuga ............. 8

1.2 Sistemas de control (SC) ...................................................... 9

1.2.2 Tipos de SC ................................................................. 10

1.2.3 Antecedentes de los SC........................................... 10

1.2.4 Diagrama representativo de un SC ....................... 11

1.2.5 Clasificación de los SC ............................................. 12

1.2.6 Alcances de los SC ................................................... 16

1.3 Tarjeta digital: Arduino ......................................................... 16

1.3.1 Ventajas ...................................................................... 17

1.4 Centrífuga y Sistema de control ......................................... 19

CAPITULO 2: Parte Experimental ........................................................ 22

2.1 Material utilizado ................................................................... 22

2.2 Parte Analógica .................................................................... 23

2.3 Parte de Potencia ................................................................. 25

2.4 Parte Digital ....................................................................... 30

2.4.1 Código Fuente ........................................................... 31

2.4.2 Comando PWM ......................................................... 40

CAPITULO 3: Resultados y conclusiones .......................................... 42

3.1 Análisis de Resultados .......................................................... 42

3.2 Conclusiones ......................................................................... 54

Índice de Tablas ................................................................................... 56

Índice de Figuras .................................................................................. 57

Referencias ........................................................................................... 59

Sistema de Control de Velocidad de una Centrífuga

Efrén Huitrón Peralta

i

Dedicatoria

A MIS PADRES:

Por su apoyo e impulso para seguir adelante, les agradezco todo lo que

han hecho por mí, sin ustedes no sería la persona que soy y no estaría aquí

en este momento

A mi hermano:

A ti te dedico mi logro y solo quiero decir gracias por creer en mí.

A mi novia:

Que siempre fue un apoyo incondicional a lo largo de toda mi carrera



ii

Agradecimientos

Quiero agradecer principalmente a mi asesor al Ing. Donaciano Jiménez

Vázquez por el apoyo, y por resolver todas las dudas que surgieron en el

transcurso de la elaboración de este proyecto terminal, gracias por

mostrarme siempre optimista ante cualquier situación ,sin su ayuda no se

hubiese podido lograr la meta propuesta.

A la Universidad Autónoma Metropolitana por todas las enseñanzas.



iii

Justificación

En el ámbito de la medicina los equipos de laboratorio clínico tienen

un aspecto muy importante, ya que son donde se empiezan a realizar

mediciones para que el médico tenga un valor certero para poder dar un

diagnóstico.

Para esto tenemos equipos como son las centrífugas de laboratorio

clínico, que nos proporciona la técnica de separación basada en el

movimiento de partículas por rotación y aceleración centrífuga, de modo

que, sometidas a altas velocidades durante cortos periodos de tiempo,

permiten la sedimentación de los componentes de una solución

homogénea según sus diferentes densidades.

De esta manera, dicha solución queda finalmente separada en dos

fracciones, la fracción sobrenadante y la fracción sedimentada que

queda depositada en el fondo del tubo de centrifugación.

Extensamente empleada en los campos de la Biología, la Bioquímica

o la Medicina, la centrífuga es un equipamiento básico en los laboratorios



iv

de análisis para la separación y purificación de numerosas

macromoléculas (proteínas, DNA, RNA, células o fracciones celulares).

Aún con la gran importancia que tienen estos dispositivos, no existe

mucha investigación dirigida a mejorarlos. Una de las formas es, como se

propone en este proyecto, implementar un sistema de control de

velocidad por medio de una tarjeta electrónica y un circuito de potencial.

Además de ser una propuesta muy bien analizada, ayudará a diagnósticos

más confiables y tiempos de respuesta más rápidos.



v

Hipótesis

Los sistemas de control de velocidad en la mayoría de las centrifugas

se realizan de forma manual, esto es utilizando un potenciómetro y

calculando la velocidad de manera aproximada. Lo que se traduce en la

imprecisión de la máquina, y como consecuencia existirán errores de

apreciación clínica, debido a que diversas sustancias requieren de una

velocidad RPM especifica. Las modificaciones de este proyecto obtendrán

un mejor diagnostico de determinada patología.



vi

Objetivos

Objetivo general

Emplear los sistemas electrónicos para el diseño de control de

velocidad de motores universales.

Objetivo especifico

Diseñar un sistema de control electrónico de velocidad para un motor de

corriente alterna de una centrifuga convencional, para mejorar la lectura

de la sustancia y por lo tanto dar un mejor diagnostico en exámenes

clínicos.



vii

Alcances del proyecto

Este proyecto se llevará a cabo a partir de la construcción del

prototipo de un circuito de potencia que realiza la función analógica, una

tarjeta llamada Arduino que realiza la parte digital y un motor universal.

La programación se realizó en Visual Basic en comunicación con

Arduino, para darle una aplicación real al motor como una centrifuga.

Vialidad del proyecto

La elaboración de este proyecto es factible ya que contamos con

dispositivos electrónicos, una tarjeta digital (Arduino), un software y un

motor universal para montar el prototipo, se tiene también la asesoría del

profesor ya que es experto en el tema.



1

CAPÍTULO 1:

Marco Teórico

En este proyecto se desarrolla un control digital para una centrífuga

de uso clínico. Las centrífugas son instrumentos que utilizan el principio físico

de centrifugación, que es la separación de partículas en una solución.

Generalmente lo utilizan para separar plasma sanguíneo, y usar el suero

para diversos análisis clínicos, en la mayoría de casos se controlan de

forma manual, utilizando un potenciómetro, por lo tanto se tiene siempre

un rango de incertidumbre en el control.

El prototipo experimental que se va a montar deberá poseer un

control de seguridad y precisión en la velocidad de rotación. Para ello se

utiliza un sistema de control electrónico que permita tener las lecturas de

las revoluciones. Esta señal de realimentación será procesada en un

circuito con micro controlador, el cual tomará acción sobre el motor,

controlando así la velocidad.

Algunas características importantes en este diseño son: el sistema de

seguridad, el indicador de velocidad, tiempo numérico y en barra, entre



2

otras. Estas características permiten que el diseño presentado en este

proyecto terminal tenga un mejor control de velocidad, y como

consecuencia un mejor diagnostico en la sustancia para el tratamiento de

enfermedades.

1.1 Centrifugación

La centrifugación es una de las técnicas de investigación más

importantes y de mayor aplicación en bioquímica, biología celular y

molecular y en medicina. Es un método por el cual se pueden separar

sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una centrifugadora, la

cual imprime a la mezcla un movimiento rotatorio con una fuerza mayor

que la de la gravedad, provocando la sedimentación de los sólidos o de

las partículas de mayor densidad.

El objetivo de la centrifugación es separar partículas de diferentes

características. Para ello, se aplica un fuerte campo centrífugo, con lo cual

las partículas tenderán a desplazarse a través del medio en el que se

encuentren con la aceleración G.

El tipo de centrifugación depende de las características del solvente y

soluto, estas pueden ser las siguientes.

http://es.wikipedia.org/wiki/Centrifugadora

http://es.wikipedia.org/wiki/Mezcla

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fuerzaa&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad



3

1.1.1 Tipos de centrifugación

Centrifugación diferencial: diferencia en la densidad de las

moléculas. Esta diferencia debe ser grande al centrifugar: Las

partículas que posean densidades similares, como centrifugación

preparativa para separar componentes en la mezcla (por ejemplo,

para separar mitocondrias de núcleos y membrana) útil para separar

moléculas.

Centrifugación ISO pícnica: También llamada centrifugación Zonal.

Las partículas se separan al usar medios de diferente densidad.

Ultra centrifugación: Permite estudiar las características de

sedimentación de estructuras subcelulares (lisosomas, ribosomas y

microsomas) y biomoléculas. Utiliza rotores (fijos o de columpio) y

sistemas de monitoreo. Existen diferentes maneras de monitorear la

sede las partículas en la ultra centrifugación.

Para el cual se construyó un sistema de control de velocidad por medio

de un circuito de potencia y una tarjeta digital.

1.1.2 Fundamentos de centrifugación

Las centrífugas son una aplicación práctica de las leyes del

movimiento de Newton. Cuando un cuerpo de masa [m] gira alrededor de

http://es.wikipedia.org/wiki/Mitocondrias

http://es.wikipedia.org/wiki/Lisosoma

http://es.wikipedia.org/wiki/Ribosoma

http://es.wikipedia.org/wiki/Microsoma



4

un punto central [O], experimenta una fuerza [N] denominada centrípeta

en la dirección del eje de rotación, de magnitud igual N = -mω2R, donde:

[m] es la masa del cuerpo, [R] el radio de giro y w la velocidad angular. La

centrífuga dispone de un eje –giratorio– sobre el cual se encuentra

montado un elemento denominado rotor, el cual dispone de un sistema de

alojamiento, donde se colocan las muestras. La velocidad tangencial

viene dada por la ecuación

Vt = wR. (2.1)

Figura 1: concepto de fuerza centrifuga

Cuando el sistema gira a una velocidad de ω radianes por segundo,

las muestras "parecen sentir" una fuerza Fp, de la misma magnitud de N,

pero de sentido contrario. A esta fuerza comúnmente se la conoce como

fuerza centrífuga. Dicha fuerza actúa sobre las partículas de la sustancia

que está siendo centrifugada, produciendo que la misma se separe como

resultado de las diferencias de densidad, de forma que en el fondo del

tubo estarán las partículas más densas, las cuales se sedimentan en



5

períodos de tiempo más cortos, mientras que las más ligeras requieren de

mayores tiempos de centrifugación para poder sedimentarse, y se

encuentran depositadas sobre las de mayor densidad. La relación entre la

aceleración centrífuga [w] a un radio dado [r] y la fuerza de la gravedad

[g] se conoce como campo o fuerza centrífuga relativa.

Cuando se centrífuga una solución, se rompe la homogeneidad y se

produce la separación del soluto y del disolvente. Las primeras partículas

en sedimentar son las de mayor masa. En la Fig. 2 se muestra las fuerzas

que actúan sobre la partícula, entre ellas tenemos la fuerza centrifuga (Fc),

fuerza de resistencia (Fd), peso de partícula (P), y empuje (E).

Figura: 2. Tipos de fuerza

Para tener lectura de la sedimentación se usa el svedber como unidad de

sedimentación, 1 svedber (S) es igual a10- 13 segundos. El svedber se

relaciona con la velocidad de sedimentación (Vs), radio de giro (r) y la

velocidad angular (ω) a través de:

S=Vs/r 2 (1) (2.2)



6

1.1.2.1 Procesos de Centrifugación

La centrifugación preparativa. Cuyo objeto es aislar partículas

específicas. Dentro de la centrifugación preparativa hay dos métodos

esenciales de separación: la centrifugación diferencial y la centrifugación

en gradiente de densidad (zonal e isopícnica).

La centrifugación analítica. Con la que se pretenden estimar

propiedades físicas de alguna partícula en concreto: sus propiedades

hidrodinámicas.

Una centrífuga es una máquina que pone en rotación una muestra

para separar por fuerza centrífuga sus componentes o fases (generalmente

una sólida y una líquida), en función de su densidad.

Existen diversos tipos de centrífugas, comúnmente para objetivos

específicos.

Una aplicación típica consiste en acelerar el proceso de

sedimentación, dividiendo el plasma y el suero en un proceso de análisis

de laboratorio. También se utiliza para determinar el grupo sanguíneo

mediante una toma de muestra capilar. En este caso la máquina utilizada

se denomina micro centrífuga.

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_centr%C3%ADfuga



7

Otra aplicación de las centrífugas es la elaboración de aceite de

oliva. En ella las aceitunas una vez molidas y batidas se introducen en una

centrífuga horizontal en la que se separa el aceite que es la fracción

menos pesada del resto de componentes de la aceituna; agua, hueso,

pulpa etc.

Los principales parámetros son:

La velocidad

La aceleración

La desaceleración, y el frenaje.

La temperatura para el sistema de refrigeración.

Figura 3: Representación de la fuerza centrifuga en el rotor

http://es.wikipedia.org/wiki/Aceite_de_oliva





8

1.1.2.2 Fuerza Centrífuga

Fuerza centrífuga es la que tiende a alejar los objetos del centro de

rotación del eje mediante la velocidad tangencial, perpendicular al radio,

en un movimiento circular.

La fuerza centrífuga es una de las fuerzas ficticias que parecen

actuar sobre un objeto cuando su movimiento se describe según un

sistema de referencia en rotación.

La fuerza centrífuga es producto de la reacción ejercida por

un objeto que describe un recorrido circular sobre el objeto que

causa ese movimiento curvo, según la tercera Ley de Newton. En

realidad es sólo el efecto de la inercia en un movimiento circular, no

es causada por la interacción de otro cuerpo físico.

La fuerza centrífuga surge cuando analizamos el movimiento de un

objeto desde un sistema de referencia no inercial, o acelerado, que

describe un movimiento circular uniforme.

La fuerza centrífuga será el producto de la masa por la aceleración

centrífuga, en un sistema de referencia no inercial.

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_ficticia

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_referencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Newton

http://es.wikipedia.org/wiki/Inercia

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_referencia_no_inercial



9

1.1.3 Funcionamiento de una centrífuga

Básicamente las centrífugas consisten en un motor de corriente

alterna en posición vertical, que impulsa a una cámara de centrifugación

la cual se encuentra cerrada y provista de una tapa de seguridad, y un

sistema electrónico que controla las diversas características del equipo.

(Tiempo, velocidad, frenado, temperatura, etc.).

Las partículas y su medio de suspensión son colocados en tubos que

van a un rotor, y debido a una velocidad específica, se genera una fuerza

centrípeta que origina que las partículas migren más rápidamente hacia

una dirección lejos del eje de rotación.

Algunas centrífugas tienen un sistema electrónico digital, que

mediante sensores ubicados en el motor pueden registrar y controlar la

velocidad de trabajo, usando para este fin dispositivos para controlar la

potencia aplicada al motor de accionamiento.

También controlan el tiempo de centrifugado e inclusive el frenado.

Estos equipos tienen un sensor dentro de la cámara que registra la

temperatura dentro de la misma.

Las centrífugas de gran envergadura y sofisticación, tienen un sensor

de vibración, que interrumpe el suministro de energía hacia el motor si es

detectado cierto nivel de vibración del eje del rotor, que de ser muy

pronunciado, podría generar daños al equipo y a la muestra en análisis.



10

Figura 4: Equipo y sus principales partes.

1.2 Sistemas de control (SC)

El concepto de control está presente en diversas disciplinas (ingeniera,

biología, economía, sociología, etc.), y si bien la palabra “control indica

fundamentalmente, mando, verificación regulación, puede tener

connotaciones particulares sea el campo de aplicación.

Para introducirnos en el tema comenzaremos analizando el cuerpo

humano, normalmente su cuerpo permanece constante, cualquiera sea la

temperatura del medio que lo rodea o la actividad que realiza; esto se

debe que tiene a que tiene un complejo sistema de control de

temperatura (control de regulación), que entre sus mecanismos de

termorregulación tiene uno que lo hace transpirar cuando la temperatura

sube o lo hace temblar cuando la temperatura baja. Adema posee otro

sistema (cuyo centro está en el cerebro) que controla sus movimientos



11

musculares (control de posición que le posibilita desarrollar sus

actividades).

1.2.2 Tipos de SC

Resumiendo podemos reconocer básicamente dos tipos de sistemas de

control.

Sistema de control natural o biológico. Por ejemplo: el mencionado

sistema de control de temperatura del cuerpo humano.

Sistema de control artificiales (creados por el hombre). Por ejemplo el

sistema de control de temperatura de una plancha eléctrica

automática, el piloto automático de un avión o una maquina

centrifuga.

1.2.3 Antecedentes de los SC

En el campo de la industria, los primero sistemas de control estuvieron

basados casi exclusivamente en componentes mecánicos y

electromecánicos (planchas, engranajes, relés, pequeños motores, etc.), y

se desarrollaron a finales de siglo XIX y principios de siglo XX, debido a los

progresos revolucionarios de la electrónica (los circuitos integrados, los

microprocesadores y las computadoras), los sistemas de control tuvieron un

desarrollo exponencial.



12

Las primera etapas del moderno desarrollo de la teoría de control en

el campo ingeniera, son debidos a Minorsky, Nyquist y Hazen, entre muchos

otros. En 1922Minorsky trabajo en controles automáticos de dirección de

arcos. En 1932 Nyquist desarrollo un procedimiento para determinar la

estabilidad de los sistemas realimentados. Pero el gran interés por el tema

empezó a plantarse en 1934, coincidentemente con la publicación del

artículo “Theory of seervomecanism” (mecanismos siervos o esclavos).

1.2.4 Diagrama representativo de un SC

Cuando hablamos de sistemas de control nos referimos a un amplio

espectro que abarca, tanto los manuales como los automáticos, sencillos o

complicados.

Los sistemas de control son subsistemas de SISTEMAS más grandes y su

objetivo es regular (controlar) el funcionamiento de estos últimos.

En la figura 5 siguiente se esquematiza el diagrama de bloques de un

SISTEMA que cuenta con sistema de control. Podemos observar dos

bloques, uno representa el sistema de control, y el otro el sistema

controlado (Planta o Proceso). En el sistema de control se opera con

señales.



13

Figura 5: Sistema de control

Hemos dicho que el control implica: mando, verificación, regulación. La

regulación, muchas veces presente en el control, aunque no siempre,

exige una señal de retorno (información) de la planta al sistema de control,

que informe sobre cómo se está desarrollando el proceso. Decimos que no

siempre hay regulación, porque no podemos hablar de regulación cuando

accionamos la llave para prender una lámpara de luz eléctrica, pero sí

cuando accionamos la llave de una cocina de gas.

1.2.5 Clasificación de los SC

Existe una Clasificación de los sistemas de control. Considerando las

características se pueden clasificaren dos tipos:

Sistemas de control de lazo (o bucle) abierto;

Sistemas de control de lazo (o bucle) cerrado (sistemas

realimentados).



14

En ambos casos el control puede ser manual o automático.

Sistemas de control de lazo abierto

Los sistemas de control de lazo abierto son aquéllos en que la única

señal que ejerce una acción de control sobre el sistema es la que entra al

sistema (señal de referencia o consigna), en estos casos la salida no actúa

sobre la entrada, la salida no influye en la acción de control.

El dispositivo que determina la señal de referencia es el llamado

selector de referencia o controlador, el que actúa en función de una señal

que llamamos señal de mando (ver fig.6).

Figura 6: Sistema de control de lazo abierto



15

Sistemas de control de lazo cerrado

Los sistemas de control de lazo cerrado son aquéllos en los que la

acción de control depende tanto de la entrada de referencia como del

valor de la salida. En estos casos la salida del sistema actúa sobre la

entrada para mantener su valor dentro de los límites fijados. Cuando la

salida ejerce influencia sobre la entrada decimos que hay realimentación,

Los sistemas de control de lazo cerrado son sistemas realimentados.

Mediante la realimentación se corrigen las variaciones existentes entre el

valor real (detectado) de la salida y el valor deseado.

Realimentación

Se entiende por realimentación el hecho de re inyectar a la entrada

de un sistema una parte (o una función) de la salida, por medio de la señal

de realimentación. En un sistema se dice que hay realimentación (o

retroalimentación) cuando, a través de un circuito llamado lazo (o bucle)

de realimentación, la salida actúa sobre la entrada.

Existen dos tipos de realimentación: realimentación positiva y

realimentación negativa.

Hay realimentación positiva cuando un aumento de la señal de

realimentación provoca un aumento de la salida del sistema. La



16

realimentación positiva aumenta la divergencia y generalmente conduce

a la inestabilidad del sistema (bloqueo o destrucción).

Hay realimentación negativa cuando un aumento de la señal de

realimentación provoca una disminución de la salida del sistema. La

realimentación negativa favorece la convergencia hacia un fin, y

conduce a la estabilidad, en otras palabras tiende a mantener el equilibrio

de los sistemas, sean éstos artificiales (eléctricos, mecánicos, térmicos,

etc.), o naturales (homeostáticos, etc.)

El siguiente diagrama del libro de Joël de Rosnay, Macroscopio, ilustra con

bastante claridad el tema.

Figura 7: Realimentación Positiva (izquierda) Realimentación Negativa

(derecha)



17

1.2.6 Alcances de los SC

Las técnicas de control son en la actualidad parte importante en el

desarrollo de la automatización.

El interés de un sistema automatizado a llevado en estos a desarrollar

diversas maneras de control, en nuestro caso la idea es lograr una

adecuada forma de control de una maquina centrífuga de uso clínico,

este sistema se basa en el principio de la centrifugación, principio físico

que permite separar partículas en una solución, esta actividad tiene

diversas aplicaciones en los campos de la medicina, biología y en la

industria química.

1.3 Tarjeta digital: Arduino

Arduino es una herramienta para la fabricación de computadoras

que pueden detectar y controlar más el mundo físico de la computadora

de escritorio. Es una plataforma de código abierto de computación física

basada en un micro controlador simple, y un entorno de desarrollo para

escribir software para la tarjeta.

Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos,

teniendo las entradas de una variedad de interruptores o sensores, y

controlar una variedad de luces, motores y otras salidas físicas. Los

proyectos Arduino pueden ser independientes, o se comunican con el

software que se ejecuta en el ordenador (por ejemplo, Flash,

Processing, MaxMSP.) Las juntas se pueden montar a mano o comprado



18

pre montado, el IDE de código abierto puede ser descargado de forma

gratuita.

El lenguaje de programación Arduino es una implementación de

cableado, una plataforma similar informático físico, que se basa en el

entorno de procesamiento de programación multimedia.

Hay muchos otras plataformas de micro controladores disponibles

para la computación física. Parallax Basic Stamp, Netmedia del BX-24,

Phidgets, Handyboard del MIT, y muchos otros ofrecen una funcionalidad

similar. Todos estos instrumentos tienen los detalles sucios de programación

de micro controladores y lo envolvemos en un formato fácil de usar.

Arduino también simplifica el proceso de trabajar con los micro

controladores, pero ofrece algunas ventajas para los profesores,

estudiantes y aficionados interesados sobre otros sistemas.

1.3.1 Ventajas

Barato - placas Arduino son relativamente baratas en comparación

con otras plataformas de micro controladores. La versión menos

costosa del módulo Arduino puede ser ensamblado a mano, e incluso

los módulos pre-ensamblados Arduino costar menos de $ 50.



19

Multiplataforma - El software de Arduino se ejecuta en Windows,

Macintosh OSX y Linux. La mayoría de sistemas micro controladores

están limitados a Windows.

Simple, entorno de programación claro - El entorno de programación

Arduino es fácil de usar para los principiantes, pero lo bastante flexible

para los usuarios avanzados para aprovechar así. Para los maestros, es

conveniente basarse en el entorno de programación Processing, por

lo que los estudiantes que aprenden a programar en ese entorno

estarán familiarizados con la apariencia de Arduino.

El código abierto y extensible de software - El software de Arduino está

publicado como herramientas de código abierto, disponible para su

extensión por programadores experimentados. El idioma puede ser

ampliada a través de librerías C + +, y las personas que desean

comprender los detalles técnicos pueden dar el salto de Arduino para

el lenguaje de programación C de AVR en la que se basa. Del mismo

modo, puede agregar AVR-C código directamente en sus programas

de Arduino si se desea.

El código abierto y hardware extensible - El Arduino se basa en

AtmelATmega8 y ATMEGA168 micro controladores. Los planes de los

módulos se publica bajo una licencia Creative Commons, así que los

diseñadores de circuitos con experiencia pueden hacer su propia

versión del módulo, ampliándolo y mejorándolo. Incluso usuarios



20

relativamente inexpertos pueden construir la versión breadboard del

módulo con el fin de entender cómo funciona y ahorrar dinero.

1.4 Antecedentes

Como ejemplo se tiene la centrífuga con control digital con la que se

trabaja actualmente, es del tipo clínica o de mesa, para una sencilla

explicación de sus características y control se desarrollaran los siguientes

puntos.

El panel de control está ubicado en la parte frontal de la centrifuga,

esta máquina tiene un sistema de doble encendido (uno de ellos ubicado

en la parte posterior), posee pulsadores para el ingreso de la velocidad en

RPM y el tiempo en minutos y horas todos estos datos ingresados mediante

el pulsador de carga, asimismo se tienen visualizadores para la velocidad y

el tiempo que se actualizan después de su carga, la Fig. 8 muestra la

tarjeta y la máscara final.

Figura 8: Panel frontal.



21

El sistema de control se realiza con dos micro controladores: el PIC 16F877 y

el PIC 16F84, los cuales serán programados. El sistema está conformado por

una etapa de control, una interfaz de potencia y una etapa de censado

esto es representado en la Fig.9.

Figura 9: Sistema de control.

La etapa de control tiene como objetivo recibir las señales

provenientes del panel, visualizar las variables de velocidad y tiempo,

asimismo recibir y procesar la señal proveniente del sensor .El PIC 16F84

realiza el disparo mientras que las demás tareas de control las realiza el PIC

16F877, esto debido a sus características de programación.

La interfaz de potencia se encarga de transmitir las señales recibidas

por la etapa de control y convertirlas en señales que permitan el

funcionamiento del motor monofásico a la velocidad establecida.



22

La etapa de censado lo realiza un sensor óptico el cual permite tener

lectura por revolución, esta señal es amplificada y enviada a la etapa de

control para la supervisión de la velocidad.



23

CAPITULO 2:

Parte Experimental

Se construyo un prototipo de un sistema de control de velocidad par un

motor de corriente alterna el cual se ejecuto en dos partes la parte

analógica y la parte digitas el cual efectúa la función igual que una

maquina centrifuga de laboratorio clínico de baja velocidad.

2.1 Material utilizado

Para la construcción del sistema de control de velocidad se necesito el

siguiente material.

Resistencias

Capacitores

LM358N

MAC1206

MOC3011

TARJETA ARDUINO

MOTOR CA



24

COMPUTADORA

MULTIMETRO

TACOMETRO

OSCILOSCOPIO

CAMARA FOTOGRAFICA

2.2 Parte Analógica

Primero diseñamos unos detectores de cruce por cero que se utilizan

para detectar los tipos de señales, o diferentes significados de señales.

Algo muy simple sería considerar una señal que 'en su parte positiva'

indicará un 'uno lógico' y en su parte negativa un 'cero lógico'. El detector

de cruce por cero es parte del circuito de detección 'por nivel' para

determinar si se ha recibido un 'uno' o un 'cero'.

Con señales analógicas los detectores de cruce por cero operan con

formas de ondas mucho mas variantes que las del caso digital, se pueden

utilizar para determinar el tipo de la forma de onda, el nivel promedio de la

señal, ayudar a integrar o diferenciar señales, etc.

Toda aquella 'función matemática' a aplicar a la señal que requiera

determinar el 'nivel de cero' de tal señal.



25

Figura 10: Cruze por ceros

2.3 Parte de Potencia

Despues tuvimos que poner un optacoplador para proteger de el sistema

analogico a el sistema digital, en cual abarcamos la parte de potencia

con un arreglo de resistencias y capacitores y un TRIAC, que fue el

MAC12DG y en la salida se tiene el motor universal.



26

Figura 11: Etapa de potencia

Figura 12: Etapa de potencia ya ensamblada

Los modos básicos de operación de los opto acopladores son: por

pulsos y lineal, en pulsos el LED sé switchea on-off ). En el modo lineal, la

entrada es polarizada por una fuente de directa, y la entrada se monta a

esta señal.



27

Se utilizó el circuito para manejar un triac usando un MOC3011. El

máximo valor de corriente del MOC da el mínimo valor para R1 de la

siguiente ecuación:

R1 (min) = Vin (pico) / 1.2 (3.1)

Nos muestra en el circuito básico para manejar un triac con un OPTO con

detector de cruce por cero, suponiendo que el circuito esta off (IF=0), La

señal de alterna aparece en los dos elementos, el triac principal y el driver.

Cuando un valor apropiado de corriente IF le llega al LED y se detecta un

cruce por cero, el driver conduce y dispara al triac principal, el triac

permanecerá conduciendo hasta que la señal del LED tome de nuevo el

nivel bajo, las formas de onda del circuito las podemos ver la figura 14. El

valor de la resistencia “R” de la figura se calcula con la siguiente fórmula:

(3.2)

Para uso con señal de CFE de 127 Volts y 1Amp. De corriente máxima

del driver entonces R= (127 √2) / 1 = 180, entonces es recomendable un

valor de 180 Ω o más para la resistencia limitadora de corriente del driver

“R”. El valor de la resistencia del gate RG es solo necesaria cuando el valor

de la impedancia interna del gate es muy grande, ya que si la impedancia

del gate es alta el tiac es pobremente inmune al ruido. El valor

recomendado para RG está entre 100 y 500 Ω.



28

Figura 13: Forma de onda

En la salida tenemos el motor universal. Se denomina así por ser el

único motor que puede conectarse tanto a corriente alterna como a

corriente continua. Cuando el motor universal se conecta a la corriente

continua con una carga constante, la velocidad y la potencia aumenta

proporcionalmente con el voltaje aplicado.

Cuando el motor universal se conecta a la corriente alterna con

carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente

con el voltaje aplicado a partir de los 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto)

En el motor universal la velocidad dada para un voltaje en corriente

alterna es inferior que la que se obtendría si se aplica el mismo voltaje pero

en corriente continua.

Los motores universales se construyen para potencias menores a los

0.5 CV (caballos vapor) y velocidades de hasta 3000 r.p.m. y presentan un

buen rendimiento.



29

El principio de funcionamiento del motor universal está determinado

por el efecto motor que produce un conductor recorrido por una corriente

eléctrica y que está sometido a un campo magnético. Por acción

magneto motriz existirá un desplazamiento y por ende una rotación.

Características de un Motor Universal

Funciona con corriente alterna y con corriente directa.

Posee un par de arranque muy elevado.

La velocidad es directamente proporcional a la corriente.

Se utiliza en herramientas manuales, electrodomésticos y en

medicina.

Para invertir el sentido de rotación, se invierte el sentido de la

corriente en cualquiera de los bobinados.

Constitución de un Motor Universal

Bobina conductoras: se les conoce con el nombre de inductor o

campos inductores.

Bobina inducido: Es el rotor bobinado y se le conoce con el nombre

de inducido o armadura.



30

Escobillas: Son fabricadas de carbón por ser un material suave y un

coeficiente de temperatura .

Resortes: Sirve para mantener las escobillas en su lugar por medio de

presión mecánica.

Tapas o escudos: Sirve para sostener el eje del motor y dar estructura

mecánica al motor.

Figura 14: Motor

Figura 15: Ensamble del motor



31

2.4 Parte Digital

Se utilizo una tarjeta digital (Arduino) en el cual se programo el control

y por medio de una interfaz de Visual Basic pudimos crear comunicación y

un software el cual es muy fácil de utilizar ya que viene empaquetado y

solo es cuestión de apretar los tipos de revoluciones por minuto que

queremos.

Figura 16. Software utilizado.

2.4.1 Código Fuente

Dim puerto As Integer

Private Sub ENVIAR_Click()

MSComm1.Output = Trim(text1.Text)

End Sub



32

Private Sub Combo1_Click()

puerto = Combo1.ListIndex + 1

conectar

End Sub

Private Sub Command1_MouseDown(Index As Integer, Button As Integer,

Shift As Integer, X As Single, Y As Single)

Select Case (Index)

Case 0:

ProgressBar1.Value = 0

escribir_matriz

MSComm1.Output = "0"

Case 1:


escribir_matriz


Case 2:


escribir_matriz


Case 3:


escribir_matriz




33

Case 4:


escribir_matriz


Case 5:


escribir_matriz


Case 6:


escribir_matriz


Case 7:


escribir_matriz


Case 8:


escribir_matriz


Case 9:


escribir_matriz


Case 10:


escribir_matriz

MSComm1.Output = "M"

End Select



34

End Sub


Private Sub ENVIAR_Click()

MSComm1.Output = Trim(text1.Text)

End Sub

Option Explicit

Option Base 1

Dim velocidad As String

Dim data_input As String


Dim dato As String


'puerto = Combo1.ListIndex + 1

Switch1.Status = [On ]

conectar

End Sub



35



Select Case (Index)

Case 0:


escribir_matriz


Case 1:


escribir_matriz

Case 2:


escribir_matriz

Case 3:


escribir_matriz

Case 4:


escribir_matriz

Case 5:


escribir_matriz


Case 6:


escribir_matriz

Case 7:


escribir_matriz



36

Case 8:


escribir_matriz

Case 9:


escribir_matriz

Case 10:


escribir_matriz


End Select

End Sub

Private Sub Form_Load()

Skin1.LoadSkin (App.Path & "\skins\1.Droid.skn")

Skin1.ApplySkin Me.hWnd

End Sub

Private Sub Form_Unload(Cancel As Integer)

If (MSComm1.PortOpen = True) Then

desconectar

End If

End Sub



37

Private Sub Switch1_Click()

If (Switch1.Status = Off) Then

desconectar

Else

conectar

End If

End Sub

Private Sub conectar()

On Error GoTo verificar

MSComm1.CommPort = puerto

MSComm1.PortOpen = True

MsgBox "La conexión se ha establecido", vbOKOnly, "Conexión Exitosa"

'Frame2.Visible = False

'Frame3.Visible = True

Switch1.Visible = True


DisplayMatrix1.Visible = True

DisplayMatrix1.LEDColorOn = vbGreen

DisplayMatrix1.PutText 0, 1, "VELOCIDAD"

DisplayMatrix1.PutText 1, 2, "AJUSTAR"



38

verificar:

If (Err.Number > 0) Then

MsgBox "Verifique el puerto seleccionado o que se encuentre conectado",

vbExclamation + vbOKOnly, "Error de Comunicación"

End If

End Sub

Private Sub desconectar()


DisplayMatrix1.Visible = False

DisplayMatrix1.Clear

MSComm1.PortOpen = False

Switch1.Visible = False

'Frame2.Visible = True

'Frame3.Visible = False

End Sub

Private Sub escribir_matriz()

DisplayMatrix1.Clear

Select Case (ProgressBar1.Value)

Case 0 To 3:

DisplayMatrix1.LEDColorOn = vbGreen


DisplayMatrix1.PutText 1, 3, Str(ProgressBar1.Value * 10) + " " + "%"

Case 4 To 7:

DisplayMatrix1.LEDColorOn = vbYellow




39


Case 8 To 10:

DisplayMatrix1.LEDColorOn = vbRed



Case Else

End Select

End Sub


puerto = Combo1.ListIndex + 1

conectar

End Sub



Select Case (Index)

Case 0:


escribir_matriz


Case 1:


escribir_matriz




40

Case 2:


escribir_matriz


Case 3:


escribir_matriz


Case 4:


escribir_matriz


Case 5:


escribir_matriz


Case 6:


escribir_matriz


Case 7:


escribir_matriz


Case 8:


escribir_matriz


Case 9:



41


escribir_matriz


Case 10:


escribir_matriz

MSComm1.Output = "M"

End Select

End Sub

2.4.2 Comando PWM

Dentro del proyecto utilizamos una herramienta que nos ofrece arduino

que es el PWM

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM = Pulse Width Modulation) es una

técnica para simular una salida analógica con una salida digital. El control

digital se usa para crear una onda cuadrada, una señal que conmuta

constantemente entre encendido y apagado. Este patrón de encendido-

apagado puede simular voltajes entre 0 (siempre apagado) y 5 voltios

(siempre encendido) simplemente variando la proporción de tiempo entre

encendido y apagado. A la duración del tiempo de encendido (ON) se le

llama Ancho de Pulso (pulse width). Para variar el valor analógico

cambiamos, o modulamos, ese ancho de pulso.



42

Con la Arduino la frecuencia PWM es bastante próxima a 500Hz lo que

equivale a periodos de 2 milisegundos cada uno Por el cual programe el

pulso de 0 a 8.3 ms.



43

CAPITULO 3:

Resultados y conclusiones

3.1 Análisis de Resultados

Del montaje del prototipo, se tomaron lecturas a diferentes revoluciones

por minuto, desde 0 hasta el máximo nivel de 4000 RPM. Los resultados se

muestran, primero los principales parámetros en las tablas, y las figuras

muestran el comportamiento gráfico visto a través del osciloscopio,

además de la simulación.

Tabla 3.1 Principales parámetros al 100%

Porcentaje RPM VOLTAJE (V) CORRIENTE (A)

100% 4000 1.4 32.1



44

Figura 17. Seleccionando el 100% con una revolución de 4000 RPM

Figura 18. Vista de osciloscopio tanto el pulso como la onda senoidal a

100%.



45



90% 3600 1.5 30



90%.



46



80% 3200 1.5 30



80%.



47



70% 2800 1.7 26.44



70%.



48



60% 2400 2.7 16.0



60%.



49



50% 2000 22.2 2.02



50%.



50



40% 1600 44 1.02



40%.



51



30% 1200 68.4 0.658



30%.



52



20% 800 91 0.495



20%.



53



10% 400 109.4 0.411



10%.



54



0% 0 124 0.365


Figura 38. Vista de osciloscopio tanto el pulso como la onda senoidal a 0%.



55

3.2 Conclusiones

En la primera etapa del proyecto, que fue la de investigación teórica,

se enfrentó el problema de la existencia de mucha fuentes de información

pero no tan especificas, ya que ninguna presentaba un sistema de control

de velocidad. Por lo cual se tuvo que integrar la parte Física, Bioquímica,

Electrónica y Programación, para saber cómo proceder durante la

elaboración de este proyecto.

La segunda etapa fue la construcción del prototipo. Inicialmente se

dificulto el planteamiento del diseño, se necesito aprender muchos

conceptos de programación, electrónica de potencia y motores para

distintos fines de construcción. Se construyo un modelo inicial, pero ya que

no funcionaba correctamente para este proyecto, se necesitaron corregir

muchas imperfecciones en cuanto la rigidez y estabilidad. Esto sirvió para

tener más creatividad, ingenio y conocimiento de elementos para la

corrección del prototipo. Al finalizar esta etapa se tenían suficientes

argumentos sobre Mecánica, Electrónica de potencia, Programación,

Bioquímica y Motores.

En la tercera etapa que fue la elaboración de los circuitos, se

profundizó en la electrónica, perfeccionando conocimientos. Se cuido y

mejoró la técnica para soldar. Y finalmente se aprendió sobre la

protección que se debe dar a los circuitos de potencia y sobre todo a

programar en un lenguaje.



56

En la cuarta parte, donde se realizo la programación, se estudio la

comunicación de arduino con el sistema. El control fue algo difícil ya que el

problema fue dar entender al usuario una manera fácil para controlar el

motor mediante un software, y no tenga que entrar directamente al

software de arduino. Para esto se tuvo que aprender otro lenguaje de

programación, Visual Basic. Esto permitió una mejor comunicación, entre

arduino y la PC, así el programa fue más fácil de empaquetar y para el

usuario representa una manera más fácil de controlar el motor.

Durante la elaboración de este proyecto terminal, fue importante

documentar todo lo que se hacía, lo que resulto ser de gran ayuda, ya que

día con día se presentaban los resultados sin olvidar los detalles

importantes.

Como conclusión podemos decir que el hecho de controlar algo

automáticamente es muy útil, más preciso y más confiable. Sobre todo

cuando esto tiene un impacto en el Sector Salud. Para poder medir

parámetros que sirven como herramienta para que los especialistas y

médicos puedan tomar las mejores decisiones, dando un diagnostico

seguro y confiable



57

Índice de Tablas














58

Índice de Figuras

Figura 1: concepto de fuerza centrifuga

Figura: 2. Tipos de fuerza

Figura 3: Representación de la fuerza centrifuga en el rotor

Figura 4: Equipo y sus principales partes.

Figura 5: Sistema de control

Figura 6: Sistema de control de lazo abierto

Figura 7: Realimentación Positiva (izquierda) Realimentación negativa

(derecha)

Figura 8: Panel frontal.

Figura 9: Sistema de control.

Figura 10: Cruze por ceros

Figura 11: Etapa de potencia

Figura 12: Etapa de potencia ya ensamblada

Figura 13: Forma de onda

Figura 14: Motor

Figura 15: Ensamble del motor

Figura 16. Software utilizado.

Figura 17 Seleccionando el 100% con una revolución de 4000 RPM

Figura 18. Vista de osciloscopio tanto el pulso como la onda senoidal

a100%.



90%.




59


80%.



70%.



60%.



50%.



40%.



30%.



20%.



10%.

Figura 37, Seleccionando el 0% con una revolución de 0 RPM


0%.



60

Referencias

[1] J.Iovine, Pic microcontroller proyect book , EEUU: Editorial Mc Graw

Hill, 1999.

[2] Hellebuyck,Chuck Programming Pic with microcontrollers with

Picbasic , Editorial Newness, 2003.

[3] P.David,M. Norris, Design and Development of Medical Electronic

Instrumentation , Editorial Wiley, 2005.

[4] T.Maloney, Electronica Industrial Moderna ,3ª edicion, Prentice Hall.

[5] A. Granados Lee, Proyectos Electrónicos con Micro controladores

PIC, Inictel, 2004.

[6] Data Sheet 16F877 and 16F84 the Microchip, Práctico de

aplicaciones PIC16F87X. McGraw-Hill.

[7] Interamericana de España. Segunda parte. Pág. 87-110.

[8] Microchip Datasheet PIC16F87X. Microchip Technology inc., 2001,

pág 1-30.

[9] Quintanilla, M.A. Tecnología un enfoque filosófico. EUDEBA, Buenos

Aires, 1991.

[10] Van Gigch, J.P. Teoría general de sistemas. Ed.Trillas, México,

1995.

[11] B Alcells, J.; Romeral, J.R. Autómatas programabas. Ed.

Marcombo, Barcelona, 1997.

[12] Bolton, W. Instrumentación y control industrial. Ed. Marcombo,

Barcelona, 1996.

[13] D'azzo, J.; Houpis, C. Sistemas lineales de control. Ed. Paraninfo,

Madrid, 1977.

[14] De Rosnay, i. El macroscopio. Ed. AC, Madrid, 1984.

sistema de control de velocidad de una centrífuga148.206.53.84/tesiuami/uami17166.pdf · corriente...

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