REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA

MENCIÓN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

CONTROLADOR EMBEBIDO PARA LOS MÓDULOS DE SIMULACIÓN DE

PROCESOS DEL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA EN UNA UNIVERSIDAD PRIVADA DE MARACAIBO

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO MENCIÓN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

PRESENTADO POR:

TSU. GONZÁLEZ, KEDFY Br. HERNÁNDEZ, NOGARET

TSU. REY, HAROL ELIU

ASESORADO POR: ING. GONZÁLEZ, JOSÉ

Dr. CARABALLO, RICARDO

MARACAIBO, ABRIL DE 2012

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CONTROLADOR EMBEBIDO PARA LOS MÓDULOS DE SIMULACIÓN DE PROCESOS DEL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA EN UNA

UNIVERSIDAD PRIVADA DE MARACAIBO

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A nuestros padres, por habernos dado la

vida.

A los docentes que nos han servido de guía

a lo largo de nuestra carrera, contribuyendo a

nuestra adquisición de conocimientos y

formación.

A nuestros tutores, quienes nos han

orientado en todo momento en la realización de

este proyecto que representa el últ imo paso

para l legar a ser exitosos profesionales.

A nuestros familiares, amigos y demás

personas que ayudaron de cierta forma a

seguir adelante.

A nosotros mismos por el esfuerzo dedicado

para lograr esta meta que hoy estamos

culminando, el ser Ingenieros en Electrónica.

González Kedfy , Hernández Nogaret y

Rey Harol .

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AGRADECIMIENTOS

A Dios por guiarme en todo momento y a mis padres Oladis y José Jesús por haberme dado la vida, todo lo que tengo y lo que soy se los debo a ellos.

A mi novia Katherine Delgado por su paciencia, comprensión y apoyo para

ayudarme a lograr esta meta.

A mis hermanos Kelvis y Kendry por ofrecerme su ayuda en los momentos oportunos y en especial mi hermano José Gabriel que siempre me ha

motivado a seguir creciendo a nivel personal y profesional.

A mis compañeros de estudio que me tendieron su mano a lo largo de toda la carrera.

A todos mis amigos y familiares que han contribuido conmigo para cumplir este objetivo en mi vida; en especial a: Sayuri, Sairen, Sayuren, y mi Tía

Olga.

González Kedfy

Ante todo le doy gracias a DIOS, por darme la ciencia, sabiduría, conocimiento y fortaleza para llegar hasta este punto de mi vida, en donde puedo ver con orgullo y regocijo a mis padres los cuales han estado a mi lado durante todo este largo trayecto, en el cual vivieron y sufrieron cada circunstancia que se presento a medida que supere cada etapa y escale

cada peldaño.

Al igual que a mis padres le doy las gracias a todas aquella personas que me han acompañado en esta larga meta como mis Abuelos, Tíos, Primos,

Amigos, Esposa que estado a mi lado apoyándome, dándome fortaleza en los momentos amargos y a algunos profesores que han mostrado gran

interés por mi desarrollo y crecimiento profesional como individuo.

Por último pero no menos importante a mi mismos por permanecer constante en la meta y nunca desfallecer ante nada ni nadie, y confiar en Dios todo

poderoso, “Jesús les dijo: Porque de cierto os digo, que si tuvieras fe como un grano de mostaza, diréis a este monte: Pásate de aquí allá, y se pasará; y

nada os será imposible.” Mateo 17: 20.

Hernández Nogaret

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A Dios Padre Celestial por sus infinitas misericordias por ser fiel en todo momento y darme la dicha de alcanzar este objetivo. A mis Padres por

haberme dado la vida.

A mi tía Isabel que ha sido una Mamá para mí, gracias por tus concejos, por tu ayuda, por sacrificar tanto, nunca podré pagarte todo.

A todos mis familiares que han contribuido conmigo para cumplir este objetivo especialmente a: Tía Doris, Tía Victoria, y mi Prima Eunice.

A mi novia Cecilia Ávila por demostrarme el valor de la excelencia a través de

la sencillez, por siempre dar lo mejor de sí, y apoyarme en todo momento.

A mis compañeros de estudio, profesores y amigos especialmente a los que hicieron conmigo la presente tesis por compartir esta aventura y poder

conocerles mejor. Rey Harol

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GONZALEZ, Kedfy; HERNANDEZ, Nogaret; REY, Harol. “CONTROLADOR EMBEBIDO PARA LOS MÓDULOS DE SIMULACIÓN DEL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA EN UNA UNIVERSIDAD PRIVADA DE MARACAIBO”. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Maracaibo, 2012.

RESUMEN

El propósito principal de la investigación fue desarrollar un controlador embebido para los módulos de simulación de procesos del laboratorio de electrónica en una universidad privada de la parroquia Juana de Ávila del Municipio Maracaibo. La investigación se perfiló según su finalidad como proyectiva, según el método como descriptiva y por la fo rma como se obtienen los datos, como de campo y documental. Como técnicas de recolección de datos se utilizaron la entrevista, la observación directa y la revisión documental y como instrumentos la guía de observación, la guía de visita y la guía de entrevista. La investigación se enfocó en una actualización de los módulos existentes, de un proceso analógico a uno digital mediante la utilización de la plataforma ARDUINO, modelo ARDUINO UNO R3 programado en lenguaje de programación de Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing). Se utilizó como metodología de referencia la del autor Angulo (1986) la cual consta de ocho (8) fases añadiéndole una (1) fase adicional propuesta por los autores de esta investigación. La población fue definida como de Objeto, constituida por dos módulos, el de control de presión y el módulo de control de nivel. Como técnicas de recolección de datos se utilizaron la entrevista, la observación directa y la revisión documental y como instrumentos la guía de observación, la guía de visita y la guía de entrevista. Se obtuvo como resultado un módulo PID digital, que será de beneficio para los estudiantes de la Universidad Privada de Maracaibo, ya que podrán realizar las pruebas de los módulos de manera analógica y digital para poder visualizar la diferencia entre un proceso analógico y digital, y poder simular un control completo de una planta. PALABRAS CLAVE: Controlador, Embebido, Módulos, Simulación.

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GONZÁLEZ, Kedfy; HERNÁNDEZ, Nogaret; REY, Harol. “CONTROLADOR EMBEBIDO PARA LOS MÓDULOS DE SIMULACIÓN DEL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA EN UNA UNIVERSIDAD PRIVADA DE MARACAIBO”. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Maracaibo, 2012.

ABSTRACT

The main purpose of the research was to develop an embedded controller for process simulation modules of electronics laboratory at a private university of Juana de Avila parish in Maracaibo Municipality. The research outlined by purpose as projective, according to the method as descriptive and how data is obtained, like field and documentary. As data collection techniques were used the interview, direct observation and document review and as tools guide observation, tour guide and the interview guide. The investigation focused on an update of existing modules, from analog to digital process using the Arduino platform, ONE ARDUINO R3 model programmed in Arduino programming language (based on Wiring) and the Arduino development environment (based on Processing). Methodology was used as reference the author's Angulo (1986) which consists of eight (8) phases by adding one (1) additional step proposed by the authors of this research. The population was defined as object, comprising two modules, the pressure control module and level control. As data collection techniques were used the interview, direct observation and document review and as tools guide observation, tour guide and the interview guide. The result was a digital PID module, which will benefit students of the Private University of Maracaibo, which can then testing the modules in analog and digital to visualize the difference between analog and digital process, and to simulate complete control of a plant.

KEY WORDS: Driver, Embedded, Modules, Simulation.

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ÍNDICE GENERAL

DEDICATORIA vi AGRADECIMIENTOS vii RESUMEN ix ABSTRACT x ÍNDICE GENERAL xi ÍNDICE DE FIGURAS xiii ÍNDICE DE CUADROS xiii INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I - EL PROBLEMA 5 1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO 5 1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 8 2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 9 2.1. GENERAL 9 2.2. ESPECÍFICOS 9 3. JUSTIFICACIÓN 9 4. DELIMITACIÓN 11 CAPÍTULO II - MARCO TEÓRICO 13 1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 13 2. BASES TEÓRICAS 17 2.1. SISTEMA DE CONTROL DIGITAL 17 2.1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL

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2.2. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO 19 2.3. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO 19 2.4. ESTABILIDAD DE LOS SISTEMAS DISCRETOS 20 2.5. SENSIBILIDAD 20 2.6. CONTROLABILIDAD 21 2.7. OBSERVABILIDAD 21 2.8. CONTROLADOR 22 2.9. TIPOS DE CONTROLADORES 23 2.9.1. CONTROLADOR P 23 2.9.2. CONTROLADOR PI 24 2.9.3. CONTROLADOR PD 25 2.9.4. CONTROLADOR PID 26 2.10. CONTROLADOR EMBEBIDO 27

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2.11. MICROCONTROLADORES 28 2.12. MICROCONTROLADOR ATmega328P 28 2.12.1 ARQUITECTURA 29 2.12.2 CPU DEL AVR 31 2.12.3 REGISTRO ESTADO 33 2.12.4 REGISTRO DE PROPÓSITO GENERAL 34 2.13. ARDUINO 36 2.13.1 ARDUINO UNO R3 37 2.13.2. RESUMEN 39 2.13.3. ESQUEMÁTICO Y DISEÑO DE REFERENCIA 40 2.13.4. ALIMENTACIÓN O FUENTE DE PODER 40 2.13.5. MEMORIA 41 2.13.6. ENTRADAS Y SALIDAS 41 2.13.7. MAPEO ENTRE LOS PINES DE ARDUINO Y PUERTOS DEL ATmega328.

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2.13.8. COMUNICACIÓN 43 3. SISTEMA DE VARIABLES 44 3.1. DEFINICIÓN NOMINAL CONTROLADOR EMBEBIDO 45 3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL CONTROLADOR EMBEBIDO 45 3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL CONTROLADOR EMBEBIDO 45 CAPÍTULO III - MARCO METODOLÓGICO 46 1. TIPO DE INVESTIGACIÓN 46 2. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS 50 3. POBLACIÓN 51 4. METODOLOGÍA UTILIZADA 52 5. CUADRO DE ACTIVIDADES 58 6. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 59 CAPÍTULO IV - RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 60 1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 60 CONCLUSIONES 76 RECOMENDACIONES 78 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 79 ANEXOS 81

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Control PID a lazo cerrado 27 Figura 2. Microcontrolador Atmega328P 28 Figura 3. Diagrama de bloques del Atmega328P 30 Figura 4. Diagrama de bloque de la arquitectura del AVR 32 Figura 5. Registro Estado 34 Figura 6. Registro de Propósito Generales 35 Figura 7. ARDUINO UNO R3 38 Figura 8: Pines de ARDUINO y del ATmega328 43 Figura 9. Diagrama del prototipo en esquemático diseñado en Fritzing

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Figura 10. Diagrama del cálculo de error 67 Figura 11. Diagrama del prototipo diseñado en Fritzing 73 Figura 12. Prototipo definitivo 73 Figura 13. Prototipo Final 74 Figura 14. Integración entre el Hardware y el Software 75

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro 1. Resumen de Arduino uno R3 39 Cuadro 2. Actividades y Recursos 58 Cuadro 3. Cronograma de actividades 59

INTRODUCCIÓN

Hoy, a pesar de la presencia de sofisticadas herramientas y métodos

avanzados de control, se coincide en opinión de especialistas, que el

controlador PID (Proporcional Integral y Derivativo) es el más utilizado en la

industria contemporánea, controlando más del 95% de los procesos

industriales en lazo cerrado. De allí su importancia en comprender y usar

esta herramienta como parte de la formación de los profesionales en el área

de automatización y control.

Resulta conveniente destacar, que el control PID es un mecanismo de

control por realimentación mediante el cual se calcula la desviación del error

entre un valor medido (sensor), y un valor deseado (set-point), para aplicar

una acción correctora (actuador) con el objetivo de lograr la estabilidad del

sistema (planta). El algoritmo de cálculo del control PID ocurre en tres (03)

parámetros: el proporcional, el integral y el derivativo.

En el caso del valor Proporcional; éste, determina la reacción del error

actual; mientras tanto, el Integral genera una corrección proporcional a la

integral del error, asegurándose que aplicando un esfuerzo de control

suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. Por último, el Derivativo

determina la reacción del tiempo donde el error se produce. La suma de

estas tres (03) acciones es usada para ajustar al proceso a través de un

elemento final de control.

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Como parte del proceso de formación la universidad cuenta con el

laboratorio de automatización donde están ubicados unos módulos de

simulación para ejemplificar de forma didáctica y muy cercana a la realidad el

proceso de control PID aplicado a variables como temperatura, nivel, presión,

entre otros.

Para dar cumplimiento a lo anteriormente expuesto, se estructuró la

propuesta investigativa en cuatro (04) capítulos, a saber:

En el Capítulo I denominado El Problema, el cual contiene la descripción

de la situación objeto de estudio, se analizará la situación actual del

problema planteado, los objetivos de la investigación, así como también la

justificación de dicha investigación, su delimitación espacial, geográfica y de

área temática.

En el capítulo II, Marco Teórico, se analizarán estudios anteriores de

diferentes autores los cuales realizaron investigaciones similares; el

desarrollo de las bases teóricas las cuales permitirán el soporte teórico de la

investigación, además se especificaran las variables y sus definiciones

nominal, conceptual y operacional.

En el capítulo III, Marco Metodológico, se da a conocer el tipo de

investigación, las técnicas e instrumentos para la recolección de datos, se

define la metodología a utilizar, las actividades y recursos, y también las

herramientas y materiales a utilizar para el desarrollo del sistema tanto en

hardware como en software.

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En el capítulo IV, Resultados de la investigación, se mostrará el análisis de

los resultados obtenidos y la discusión de los mismos con la finalidad de

determinar el cumplimiento de los objetivos anteriormente planteados.