POST#17: Sistema Integrado de equipos de laboratorio controlado por PC en base a micro-controladores PIC

Objetivo:

La finalidad para realizar este proyecto no es mas que tratar de solventar el problema de los equipos electrónicos de calidad y accesibles para los estudiantes universitarios, los estudiantes técnicos y entusiasta, por ello se enfoco en el desarrollo de un sistema completo en el cual se tenga integrado la mayoría de los equipos de laboratorios de electrónica a nivel universitario. Estos equipos deben tener los requerimientos suficientes para poder realizar todas las practicas a lo largo de la carrera universitaria. Con esto en mente se determino que se conformaría en sistema integrado de equipos los cuales trabajan en una sola interfaz de computadora, donde todas la variaciones de niveles de salidas y entradas, así como las lecturas de estados lógicos, voltajes y corrientes, y estas se puedan configurar de manera digital desde el software de control realizado para el equipo. 

Con esto se llego a la conclusión de que se compondría de dos fuentes variables digitales de 0v a 20v con precisión de 0.01V y control de corriente de 0A a 2A con precisión de 0.1A, estas fuentes puede trabajar en modo serial, paralelo o independiente, ademas cuenta con una tercera fuente fija a 5V a 5A como máximo en su salida, por otra parte se encuentra el generador de funciones el cual puede generar señales seno, cuadradas y TTL gracias al AD9850, donde es posible variar su amplitud de 1Vpp a 7Vpp, frecuencia de 10hz a 1Mhz y ciclo de trabajo 0% a 100%, también una punta lógica la cual mida tanto circuitos TTL como CMOS y muestre el estado lógico en forma de 7 segmentos en la interfaz o en forma de led iluminados en la interfaz, por ultimo un multímetro con voltímetro AC y DC de 0v a 600v, amperímetro AC y DC por efecto hall con el ACS714 de -5A a 5A dependiendo de como se tome la lectura, lector de ohmios de 1ohm a 10 Mohm y lector de continuidad. 

El sistema esta conectado por un bus de datos I2C el cual esta aislado por integrados especializados ADuM1250, con esto se asegura que cual quier falla no afecte otro de los equipos y ademas permite el agregar nuevos equipos al bus de datos y con esto complementar aun mas el sistema como podría ser la adición de un osciloscopio o de un frecuencímetro.

La alimentación del equipo es con transformares genéricos separados para asegurar el aislamiento y también un remplazo rápido de cualquiera de ellos en caso de fallas ya que son mas comerciales que el embobinar una transformador con un solo primario y el numero de secundarios necesarios para alimentar todos los módulos con sus respectivas potencia adecuada.

La placas del sistema estas controladas por PIC Microchip de varios modelos según el módulos y familias, pero todos con la características mínima de que cuente con bus de datos I2C por hardware, para conectarse a la placa de bus de datos aislada y todo esto ser controlado por la placa de control principal que esta basada en el PIC18F2550, por su bus I2C y conexión USB al computador la cual se aisló con el integrado ADuM4160 y el uso de una LCD 20x4 para visualizar el estado general del equipo ya que el mismo no cuenta con ningún pulsador o potencíometro de configuración, todo es realizado de manera digital desde la aplicación de control en la computadora personal.

La programación de los microcontroladores, fue realizada en CCS con el uso de interrupciones en todos los casos necesarios y periféricos de hardware, ningún control ya sea del bus o de integrados fue realizado por software para no tener retrasos generados al emular algún protocolo o tarea.

El software de control se realizo en Visual Studio 2013 en lenguaje C# con librerías capaces de trabajar con el puerto USB del PIC18F2550 en las versiones mas actuales de windows, tanto en x86 como en x64, así como también se usaron librerías para los 7 segmentos en la interfaz y los led animados.

Materiales principales utilizados:

Modulo DDS AD9850 encargado de generar las distinta señales de salida del generador de funciones, este modulo puede ser controlado de forma serial o de forma paralela según sea   el diseño.	PIC 18F2550 de Microchip el cual cuenta con 28 pines de distintos usos pero como periféricos importantes cuenta con pines dedicados por hardware para la comunicación USB y comunicación  por bus I2C.
ACS714 Pololu modulo sensor de corriente bidireccional por efecto hall de salida lineal a la corriente en sus terminales puede sensar desde -5A a 5A y su salida es una variación de voltaje donde por cada paso se aumenta o disminuye en 180mV/A  segun sea el caso teniendo como 0A el voltaje de salida fijo de 2.5V	PIC 16F1503 de Microchip usado para la mayoría de los módulos ya que el mismo cuenta con  un numero de pines suficiente pero como periféricos importante tiene bus I2C por hardware, así como varias salidas del tipo PWM por hardware, necesarias para los módulos y su correcto control.
Transformador con tap central 12v-0-12v 4 Amp para salidas de potencias de las distintas fuentes.	ADuM1250 inteagrado de Analog Devices que se encarga de aislar el bus de datos I2C con una tecnología de aislamiento magnetico y soportando sobrecargas de hasta 2500V rms para proteger el circuito que aísla.
Transformador con tap central 12v-0-12v 0.5 Amp para alimentar cada uno de los módulos en su parte lógica	PIC 18F4610 de Microchip usado para el multímetro ya que cuenta como gran cantidad de pines los cuales fueron usados para las distintas funciones del mismo , así como también por su bus I2C por hardware.
Disipador de aluminio para las distintas fuentes de poder	LM35 en encapsulado TO92 para colocarlo cerca físicamente del disipador de las fuentes y con esto controlar el encendido y apagado del ventilador según sea el caso de una temperatura alta o baja.
Ventilador para forzar la ventilación en las fuentes de poder en caso de ser necesario por uso prolongando de las mismas con una carga grande en su salida.	LM2576 en encapsulado TO220 de 5 pines, regulador altamente eficiente que solo necesita de 4 componentes externos para entregar hasta unos 3 Amp con unos 5V si desperdiciar casi energía en calor al ser el mismo step-down y tener una eficiencia muy alta.
Puerto USB tipo B usado para la conexión del cable USB del sistema con el PC	MCP41010 integrado de Microchipm que hace la función de potenciometro de control para el contraste de la LCD del sistema
LCD 20X4 luz de fondo azul para los distintos mensajes de estado y control del sistema.

Placas y partes del proyecto:

Placa dedicada al BUS de datos i2c aislado con tecnología de transformadores de analog , la cual cuenta con fuente de alimentación propia, que usa para energizar los integrados ADuM140x y el bus de datos completo.	Placa fuente de poder digital regulable de 0v a 20v, con salida ajustable de corriente de 0A a 2A, esta placa cuenta con alimentación propia para potencia y lógica. La lógica es basada en el micro-controlador PIC 16F1503 de Microchip y la potencia en el regulador LM338 con control mediante amplificador operacional y señales PWM.
Punta lógica realizada a partir de un probador de electricista para 110v, el cual fue modificado para ser usado en el sistema. Básicamente se le agrego un par de cables polarizado para energizarla del circuito en estudio, así como también cuenta con un cable de varios hilos para la conexión con el sistema	Placa principal de control micro-controlada con el PIC 18f2550 de microchip, la cual esta constituida por conector USB tipo B, fuente conmutada 5v, LCD 20x4 conectado de forma serial con registro de desplazamiento, poten- cimetro digital para control del contraste de la LCD, conector para el BUS I2C,etc.
Placa selectora de los modos de salida de las fuentes de poder variable donde se encarga de colocar las salidas de las fuentes en modo seria, paralelo o independiente, así como también se encarga de mostrar mediante un LED en el frontal cual esta activa de ellas y si alguna esta en protección por cortocircuito	Placa multímetro la cual cuenta con, estas herramientas: amperímetro basado en el chip ACS712 para corriente tanto AC como DC, ohmímetro con el uso de un arreglo formado por resistencia  y lectura del ADC del PIC, el voltímetro AC y DC con el uso de puente rectificador y divisor resistivo de precisión, punta lógica para circuitos CMOS y TTL, finalmente la placa cuenta con LED de estado del modo en uso, así como también con un buzzer para señales auditivas y una fuente conmutada LM2576 con un PIC 18F4610.
LCD  20x4 del sistema con faja plana.	Vista del conjunto de placas que conforma el sistema completo.
Placa encargada de la generación de señales eléctrica de tipo seno y TTL, la misma esta basada en el chip AD9850 el cual de manera serial es controlado por el PIC 16F1503, para así configurar el modo de salida: frecuencia y dutty. Y con la ayuda de un juego de OPAM y potencimetros digital MCP41010 se logra modifica el off set y la amplitud de las señales de salida generadas.	Placa fuente de poder digital regulable de 0v a 20v, con salida ajustable de corriente de 0A a 2A, esta placa cuenta con alimentación propia para potencia y lógica. La lógica es basada en el micro-controlador PIC 16F1503 de Microchip y la potencia en el regulador LM338 con control mediante amplificador operacional y señales PWM.
Placa fuente de poder digital de salida de voltaje fija a 5V, con salida fija de corriente maxima de 2A, esta placa cuenta con alimentación propia para potencia y lógica. La lógica es basada en el micro-controlador PIC 16F1503 de Microchip y la potencia en el regulador LM338 con control mediante amplificador operacional y señales PWM.

PCB en 3D del proyecto:

PCB para conexión de la entrada de 110V de los transformadores de entrada de cada una de las placas del sistema.	PCB de la placa principal de control.
PCB de la placa de multímetro y punta lógica.	PCB de la placa para selección del modo de salida de las fuentes variables.
PCB de la placa del bus de datos i2c aislado.	PCB de la placa de generador de funciones.
PCB de la placa para la fuente digital variable.	PCB de la placa para la fuente digital fija.

Imágenes del software del sistema:

Ventana de información del sistema.	Ventana de ayuda del sistema.
Ventana para la configuración del sistema como la luz de fondo y el contraste de la LCD.	Vista del menú de ayuda en la ventana principal del sistema.
Ventana flotante del sistema cuando es activado el modo de salida en serie de las fuentes variables digitales	Ventana flotante del sistema cuando es activado el modo de salida en paralelo de las fuentes variables digitales
Ventana donde se observa la pestaña de multímetro y punta lógica en uso. En la cual se tiene a la izquierda el multímetro con cada una de sus funciones como son: ohmímetro, voltímetro AC, voltímetro DC, medidor de continuidad y amperímetro AC y DC. Por otra parte a la derecha se tiene la punta lógica sus modos de detección de la tecnología a estudiar, así como también se tiene de un 7 segmentos y 3 señales visuales para apreciar el estado lógico presentes en la punta de medición al momento de realizar las pruebas en la placa en estudio.	Ventana donde se tiene la pestaña para las fuentes que conforman el sistema a la izquierda las dos fuente variables con sus opciones de configuración de salida como el voltaje o la corriente de cada una de las fuentes, así como también cuenta con visores del estado de la fuente, voltaje, corriente, temperatura y ventilación. A la derecha se tiene la fuente fija con los mismos visores pero sin opción de configuración, las 3 fuentes cuentan con un botón de activación. finalmente abajo a la derecha se observa los tipos de configuración de salida para las fuentes variables como son salida en serie, paralelo o independiente.
Ventana donde se tiene la pestaña para el generador de funciones del sistema en la cual se aprecia los 7 segmentos para la visualizar la frecuencia de salida, en la zona izquierda baja esta para introducir el valor deseado de frecuencia, así como un botón para su variación paso a paso, en la zona derecha baja esta la configuración para el tipo de salida a ser generada ya sea seno o TTL, así como también para variar su amplitud o ciclo respectivamente.	Vista del menú en la ventana principal del sistema.
Vista de la ventana principal del sistema.	Ventana flotante del sistema al momento de decidir cerrar el mismo.

Imágenes del prototipo funcional del sistema finalizado:

Vista frontal del sistema en pruebas de sus salidas, entradas y aplicacion	Vista frontal del sistema donde se tiene el mismo con la conexión USB a la PC
LCD del sistema mostrando estado de la aplicación así como del USB y los modulos activos	Vista Frontal del sistema integrado
Vista desde arriba parte superior izquierda en la cual se tiene la placa principal de control, la placa de bus de datos aislado y se observa la parte de los transformadores del sistema.	Vista desde arriba parte superior derecha donde se ve la fuentes pero se aprecia mejor los transformadores de potencia del sistema.
Vista desde arriba parte inferior izquierda donde se tiene la LCD con su faja de datos el multímetro digital y el generador de funciones.	Vista desde arriba parte inferior derecha se observa la fuente variables y la fija así como su placa de control de tipo de salida de las fuentes variables.
Frontal Izquierdo donde se tiene la LCD del sistema con las entradas del multímetro con punta lógica  y la salidas del generador de funciones tipo BNC.	Frontal Derecho donde se aprecia el botón de encendido con los conectores de las fuentes variables y fija a su lado
Cableado parte trasera USB, alimentación y fusible de proteccion.	Vista trasera completa
Caja a medida para poder transporta el prototipo con mayor facilidad y que se proteja al ser almacenado para guardarlo.	Vista frontal con punta lógica del sistema integrado
Foto del sistema terminado dentro de su caja acrílica donde ya  ajustado y calibrado todas sus salidas, así como también sus módulos de sensores de las distintas magnitudes físicas, acá se aprecia como se organizo las salidas y el cableado del mismo.

Vídeos del prototipo funcional del sistema finalizado:

Vídeo del sistema integrado donde muestra la instalación de controladores, así como un la interfaz gráfica de computadora, la LCD del prototipo y un poco de uso configurando la salida seno a una frecuencia dada al generador de funciones