Control por hardware de sistemas de gobierno para diodos láser con STM32F4 y celdas Peltier

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Control por hardware de sistemas de gobierno para diodos láser con STM32F4 y celdas Peltier Por: Natalia Irina Ulloa Solano Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio de 2013

2 Control por hardware de sistemas de gobierno para diodos láser con STM32F4 y celdas Peltier Por: Natalia Irina Ulloa Solano Sometida a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobada por el Tribunal: Jaime Cascante Vindas, PhD. Fabián Abarca Calderón, Ing. Federico Ruiz Ugalde, Ing. II

3 Dedicatoria A mis padres. III

4 Reconocimientos A mi profesor guía Jaime Cascante Vindas por la ayuda brindada. Al profesor Víctor Vega Garita por su incansable espíritu de ayuda y colaboración. A mi padre, a mi madre y a Augusto Solís Rodríguez por su buena disposición para ayudar. A todas aquellas personas que aportaron su granito de arena queriendo colaborar con la elaboración de este trabajo. Por último un reconocimiento muy especial al señor Marco Castillo Hernández por su apoyo incondicional durante el desarrollo de este proyecto. Gracias infinitas don Marco! IV

5 Índice general Resumen... XI Nomenclatura... XII 1. Introducción Alcance del proyecto Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología Antecedentes Generalidades Materiales semiconductores El efecto Joule El diodo láser Antecedentes Generalidades Propiedades de un haz láser Estructura Principio de funcionamiento Curva I V del diodo láser Transferencia de calor del diodo láser Efecto de la temperatura en el funcionamiento del diodo láser La celda Peltier Antecedentes Características Estructura V

6 Principio de funcionamiento Modelo de transferencia de calor El diodo láser y la celda Peltier como sistema Antecedentes Modelo de transferencia de calor del sistema Modelo de transferencia de calor propuesto Plataforma STM32F4 Discovery Serie STM Descripción Arquitectura ARM Características de la plataforma STM32 F4 Discovery Descripción de componentes y pines Características de la alimentación Modelos STM32F Comparación con las plataformas Arduino Uno y Raspberry Pi Sistemas controlados Sistemas de control realimentados Algoritmo de control PI Control ON/OFF Transformada Z Análisis del control por software Diseño del sistema de control Descripción general LCD Keypad Shield YJD1602A-1: dispositivo de ingreso de datos al sistema Diseño del entorno electrónico Diagrama de flujo Driver para el diodo láser, bloque (1) Amplificador no inversor, bloque (2) Diagrama de flujo con fotodiodo Diseño del sistema de enfriamiento Opción 1: Control PID Convertidor de tensión a corriente, bloque (1) TEC, bloque (2) VI

7 Sensor de temperatura, bloque (3) Amplificador de tensión, bloque (4) Opción 2: Control ON/OFF ULN Relé, bloque (1) Programación de la placa STM32F4 Discovery Funcionamiento del programa Diagrama de flujo del programa principal Sintonización de los controladores PID Controlador de la corriente del diodo láser Controlador de la temperatura Resultados Resultados y logros obtenidos en la etapa 1: Desarrollo de la circuitería electrónica y la programática operativa del controlador Resultados y logros obtenidos en la etapa 2: Implementación de la funcionalidad del controlador Resultados obtenidos experimentalmente Modo de funcionamiento PWM Modo de funcionamiento continuo Corriente Temperatura Conclusiones y recomendaciones Bibliografía Apéndice A Código del programa principal (main) STM32F Apéndice B Librería LCD STM32F Apéndice C Librería DAC STM32F Apéndice D Librería ADC STM32F Apéndice E Librería PWM STM32F VII

8 Índice de figuras Figura 2. 1 Unión P-N sin polarización externa (Boylestad and Nashelsky, 2003) Figura 2. 2 Unión P-N con polarización directa (Boylestad and Nashelsky, 2003) Figura 2. 3 Espectro óptico (Marín, 2006) Figura 2. 4 Ondas de radiación óptica coherentes (Marín, 2006) Figura 2. 5 Direccionabilidad del haz láser y su divergencia (Marín, 2006) Figura 2. 6 Longitudes de onda del color rojo y azul (Marín, 2006) Figura 2. 7 Intensidad emitida por el haz láser (Besada et al., 2009) Figura 2. 8 Elementos de un láser (Marín, 2006) Figura 2. 9 Capas que conforman la estructura de un diodo láser de estado sólido (Marín 2006) Figura Emisión de luz a nivel atómico (CLPU, 2013) Figura Curva I-V del diodo láser (Arieli, 1997) Figura Aumento en la corriente umbral debido a la temperatura (Miranda, 2012) Figura Curva longitud de onda contra temperatura (Miranda, 2012) Figura Estructura interna de una celda Peltier (Electrónica fácil, sin fecha) Figura Esquema del efecto Peltier (Patterson, 2007) Figura Colocación de la celda Peltier Figura El diodo láser y la celda Peltier como sistema Figura Ejemplo de discretización de elementos finitos Figura Modelo estructura diodo láser Figura Distribución de calor estructura diodo-peltier Figura Flujo de calor estructura diodo láser Figura Procesador Cortex- M4 (ST Microelectronics, sin fecha) Figura Placa STM32F4 Discovery (ST Microelectronics, sin fecha) Figura Descripción de componentes y pines (ST Microelectronics, sin fecha) Figura Cuadro comparativo modelos STM32 F4 (ST Microelectronics, sin fecha) Figura 2. 26Sistema de control a lazo abierto (Carrillo, 2009) Figura Sistema de control de lazo cerrado (Alfaro, 2011) Figura Diagrama de bloques algoritmo de control PI (Alfaro, 2011) Figura Salida control ON/OFF Figura Propiedades primera derivada y acumulación de la Transformada Z (ITCR, sin fecha) Figura Diagrama de bloques PID dominio Z (ST Microelectronics, sin fecha) Figura Interfaz gráfica con el usuario (Miranda, 2012) VIII

9 Figura 3. 1 Diagrama de bloques general del sistema a diseñar Figura 3. 2 LCD Keypad Shield YJD1602A-1 [27] Figura 3. 3 Diagrama teclado [26] Figura 3. 4 Patillas LCD Teclado [25] Figura 3. 5 Interface de usuario LCD [26] Figura 3. 6 Circuito llave de paso Figura 3. 7 Diagrama de bloques para el control del diodo láser Figura 3. 8 Esquemático del driver para el diodo láser (Albaugh, 2001) Figura 3. 9 Simulación del driver para el diodo láser Figura Esquemático del amplificador no inversor (Miranda, 2012) Figura Simulación amplificador no inversor Figura Diagrama de bloques para el control del diodo láser con fotodiodo Figura Diseño con fotodiodo Figura Diagrama de bloques sistema de enfriamiento, opción Figura Convertidor de tensión a corriente Figura Curva temperatura contra tensión de salida, sensor TMP Figura Diagrama de bloques sistema de enfriamiento, opción Figura Esquemático diseño control de temperatura ON/OFF (Arduino Forum, 2011) Figura Sistema de control ON/OFF propuesto Figura Diagrama de asignación de patillas de la STM32F Figura Diagrama de flujo programa principal Figura Curva de reacción del driver contra el modelo (Miranda, 2012) Figura Celda estática de la celda Peltier (Miranda, 2012) Figura Curva de reacción de la planta (temperatura) contra el modelo (Miranda,2012) Figura 4. 1 Salida STM32F4 modo PWM Figura 4. 2 Salida STM32F4 modo CW Figura 5. 1 Configuración recomendada llave de paso IX

10 Índice de cuadros Tabla 2. 1 Microcontroladores STM Tabla 2. 2 Comparación entre STM32F4 Discovery, Arduino Uno y Raspberry Pi Tabla 3. 1 Asociación LCD- STM32F Tabla 3. 2 Menú de configuración Tabla 4. 1 Relación corriente, tensión, ciclo de trabajo Tabla 4. 2 Mediciones reales sensor y salida del amplificador X

11 Resumen El objetivo general del presente proyecto es desarrollar un prototipo de bajo costo de un sistema de gobierno para diodos láser con microcontroladores STM32F4 y enfriamiento con Peltier. En primera instancia y gracias a la integración de dispositivos tales como ADC, DAC, temporizadores y la gran cantidad de librerías y facilidades del microcontrolador STM32F4, es posible optimizar costos por hardware, ahorrar tiempo y por lo tanto costos al usar el poderoso set de facilidades, funciones e instrucciones del mismo. Es asimismo notable la incorporación dentro de este sistema del procesador Cortex- M4, que a diferencia de versiones anteriores, optimiza el consumo de recursos operativos y ejecuta gran parte de su set de instrucciones de forma eficiente. Gracias a lo anterior, el proyecto cumple con su máxima en cuanto a bajo costo se refiere. Respecto a la funcionalidad del proyecto para el gobierno para diodos láser, se logró (gracias a las facilidades de la plataforma) excitar y controlar la corriente del mismo. Finalmente, se logró mediante un control sencillo de modo ON/OFF, poder controlar la temperatura del diodo láser usando un celda Peltier como enfriador. El proyecto significó un gran reto, puesto que la información, experticia y publicaciones de esta nueva plataforma no se encuentran disponibles, como sí lo están para sistemas como el Arduino, del cual se cuenta con gran cantidad de aportaciones. Parte de este reto también se debió a la necesidad de alcanzar el nivel académico requerido en dos específicos: la programación con este tipo de herramientas y los sistemas en tiempo discreto. Aunque los objetivos fueron logrados parcialmente, debido a las complejidades encontradas y a las limitaciones de tiempo, en este proyecto se lograron varios aportes en cuanto a la utilización y programación del microcontrolador STM32F4 y en reducción de costos. XI

12 Nomenclatura Ganancia transistor BJT Parámetro de diseño sintonización analítica de controladores Ω A ADC CRC CPU CW DAC DL DMA DMIPS DSP FPU GPIO ohm Ampères Analog Digital Converter Cyclic Redundancy Checker Central Processing Unit Continuous Wave Digital Analog Converter Diodo Láser Direct Access Memory Dhrystone MIPS (Million Instructions Per Second) Digital Signal Processing Floating Point Unit General Purpose Input Output XII

13 Hz I2C IDE I/O K Hertz Inter-Integrated Circuit Integrated Development Environment Input/Output Ganancia de la planta Ganancia derivativa Ganancia integral Ganancia proporcional LabVIEW LCD LD LED ma mv Mbytes MAC MCU MHz PCB PID POMTM PW Laboratory Virtual Instrument Engenieering Workbench Liquid Crystal Display Laser Diode Light Emitting Diode mili Ampères mili Volts Mega Bytes Media Access Control Microcontroller Unit Mega Hertz Printer Circuit Board Proporcional Integral Derivativo Primer Orden Más Tiempo Muerto Pulse Wave XIII

14 PWM RAM RTC SDRAM SPI SW SWD TEC TTL USART USB USB OTG V Pulse Wave Modulation Random Access Memory Real Time Clock Synchronous Dynamic Random Access Memory Serial Peripheral Interface Switch Serial Wire Debug Thermoelectric Cooling Transistor-Transistor Logic Universal Synchronous Asynchronous Transmitter/Receiver Universal Serial Bus Universal Serial Bus On-the-Go Volts V in Tensión de entrada V out Tensión de salida VBus W Virtual Bus Watts XIV

15 Capítulo 1 1. Introducción El mundo moderno obliga a que se estén evaluando constantemente nuevos procedimientos para aplicar en los campos de la tecnología, la salud, la industria en general (i.e. electrónica, telecomunicaciones, militar, entre otras). Es por esta razón que la tecnología con base en diodos láser ha tomado un gran auge desde su descubrimiento, dando importantes aportes en campos como el de la medicina, en el que ha contribuido a facilitar y simplificar algunos procedimientos quirúrgicos, que antes requerían horas para llevarse a cabo. Debido a que los campos de utilización del diodo láser requieren precisión, es necesario contar con sistemas de control seguros, exactos y que permitan el correcto y continuo funcionamiento del diodo en cualquiera de sus aplicaciones. En la presente investigación se diseña e implementa un sistema de control realimentado de corriente y temperatura, que permita controlar adecuadamente diodos láser con y sin fotodiodo (2 patillas y 3 patillas respectivamente). Para esto, se trabajará con el sistema microcontrolado STM32F4 como controlador y con la celda Peltier, como sistema de enfriamiento. Adicionalmente, se va a comparar este microcontrolador con otros microcontroladores de bajo costo como el Arduino y el Raspberry Pi. En esta investigación, el usuario controla la corriente y la temperatura por medio de hardware, por lo que se estudiará la viabilidad del control por software, para su implementación en una futura investigación. 15

16 1.1. Alcance del proyecto Diseñar, ensamblar y comprobar el correcto funcionamiento de un sistema de control para diodos láser con el microcontrolador STM32F4, para controlar la corriente y la temperatura del diodo Objetivos Objetivo general Desarrollar un prototipo de bajo costo de un sistema de gobierno para diodos láser con microcontroladores STM32F4 y enfriamiento con Peltier Objetivos específicos Investigar los sistemas de gobierno comerciales y caseros (con microcontroladores STM32 F4) que permitan controlar de manera adecuada la corriente de un diodo láser. Describir las características de los microcontroladores STM32 F4 y contrastarlas con otras plataformas de bajo costo como el Arduino y el Raspberry Pi. Resumir la teoría relacionada con la transferencia de calor entre un diodo láser y el exterior, y una celda Peltier y el exterior. Proponer un modelo de disipación de calor de un sistema formado por un diodo láser y una celda Peltier. Diseñar e implementar un sistema de control de corriente y temperatura realimentado que permita controlar adecuadamente diodos láser sin y con fotodiodo (2 patillas y 3 patillas respectivamente). Estudiar y corroborar la viabilidad del control con software libre Metodología Para el desarrollo del presente informe, se requerirá seguir las fases de desarrollo de proyecto que se enlistan a continuación: 16

17 1. Investigación mediante la recopilación bibliográfica y documental en general para el estudio preliminar de los componentes y herramientas por utilizar en el proyecto: a. Cortex-M4; b. STM32 F4 Discovery; c. Herramientas para el desarrollo de aplicaciones con STM32F4; d. Electrónica adicional del entorno del STM32F4; e. CooCox CoIDE, versión 1.7.2; 2. Disposición de elementos y diseño preliminar del entorno electrónico del STM32F4. 3. Puesta en marcha del conjunto electrónica - programa del proyecto: a. Programación de rutinas específicas del STM32F4 interactuando con cada uno de los componentes electrónicos. b. Depuración y pruebas recurrentes del programa del STM32F4 y afinación de la electrónica para lograr un sistema electrónico digital analógico estable. 4. Diseño, programación y depuración de las aplicaciones de control sobre los componentes a gobernar. 5. Resultados de pruebas de los elementos por controlar y del funcionamiento del controlador (toma experimental y levantamiento de datos). Para programar el microcontrolador STM32F4, será necesario estudiar el libro recomendado por el profesor Francisco Siles, denominado Thinking in C++, de Bruce Eckel. Además, se tomarán como referencia los siguientes proyectos de graduación: (i) Sistemas de gobierno para diodos láser con Tecnología Arduino y enfriamiento con Peltier, elaborado por el estudiante Rodrigo Alonso Miranda 17

18 Vargas; y, (ii) Control por software de sistemas de gobierno para diodos láser con tecnología Arduino, realizado por el estudiante Esteban Ulloa Echandi. 18

19 Capítulo 2 2. Antecedentes 2.1. Generalidades Materiales semiconductores Los materiales semiconductores son aquellos que se comportan como aislantes a bajas temperaturas pero a temperaturas más altas se comportan como conductores. En este apartado se hace referencia a estos materiales en general, debido a que tanto el diodo como la celda Peltier, están constituidos por materiales semiconductores. Los semiconductores extrínsecos son a los que se le ha introducido un elemento contaminante, llamado impureza, que cambia drásticamente las propiedades de conducción del material intrínseco, reduciendo enormemente la resistividad del mismo. (López, sin fecha) A este proceso se le conoce como dopaje del material. Existen dos tipos de semiconductores extrínsecos: P y N. El tipo N es el donador de electrones y el tipo P es aceptador de electrones, o bien donador de huecos. Los huecos son los espacios donde debería ir un electrón. Entonces, los semiconductores tipo N tienen exceso de portadores de carga negativos (electrones) y los semiconductores tipo P tienen exceso de portadores de carga positiva (huecos). 19

20 La unión P-N está formada por dos regiones semiconductoras de tipos opuestos. Cuando se une el semiconductor tipo P con el tipo N, se crea la llamada región de agotamiento, tal y como se muestra en la Figura Esta región se genera debido a que los huecos y electrones se combinan, generando una región libre de portadores. Esto implica que se va a dar el movimiento de cargas deseado, puesto que es una zona libre de portadores. Para crear un canal por donde puedan pasar las cargas eléctricas, se tiene que aplicar una tensión eléctrica, de forma que su potencial positivo quede conectado al material tipo P y el negativo al tipo N. Esto ocasionará que los huecos de la región P se desplacen hacia la zona de agotamiento, de manera análoga sucederá con la región N, pero con electrones. De esta forma se disminuye la región de agotamiento, tal como se muestra en la Figura (Ulloa, 2012) Figura 2. 1 Unión P-N sin polarización externa (Boylestad and Nashelsky, 2003) Figura 2. 2 Unión P-N con polarización directa (Boylestad and Nashelsky, 2003) 20

21 El efecto Joule Cuando circula una corriente a través de un conductor, parte de la energía se transforma en calor, debido al choque que se produce entre los electrones que viajan y los átomos del material conductor. Estos choques elevan la temperatura del conductor, produciéndose así el efecto Joule. Este fenómeno describe el funcionamiento de algunos dispositivos eléctricos, sin embargo en la mayor parte de las aplicaciones es un efecto indeseado debido a que, por lo general, cuando se eleva la temperatura se producen variaciones negativas en el funcionamiento normal de los dispositivos. El enunciado de la ley del efecto Joule dice: La energía absorbida por un conductor al ser recorrido por una corriente eléctrica, se transforma íntegramente en calor. Se estudia este efecto, debido a que más adelante se asocia con los dispositivos que atañen a esta investigación El diodo láser Antecedentes El fundamento teórico del láser fue desarrollado por A. Einstein, que predijo el fenómeno de emisión estimulada de luz en 1916, pero hasta 1954 no se construyó el primer láser (láser de microondas). Sin embargo fue en 1960 cuando se fabricó el primero que conocemos como tal. La clave del funcionamiento de un láser está en la emisión estimulada, que es uno de los fenómenos que pueden ocurrir en la interacción de la radiación electromagnética con la materia. (Gutiérrez, 2005) Su versatilidad, baja disipación de potencia, bajo costo, entre otras características, han convertido al diodo láser en uno de los dispositivos más utilizados hoy en día. Tal y como lo menciona Marín en su artículo Introducción al Láser y su aplicación práctica en la óptica moderna: ( ) Un 21

22 dispositivo láser es una fuente de radiación óptica que exhibe propiedades únicas y una amplia variedad de aplicaciones. (Marín, 2006) Sus aplicaciones abarcan industrias de vital importancia en el diario vivir, tales como la medicina, las comunicaciones, la producción de energía. El láser también es utilizado en otros campos como en topografía, procesamiento de materiales, construcción, soldadura, industria militar, así como herramienta en muchas áreas de investigación científica. En este dispositivo es posible controlar la potencia emitida, por lo que es un dispositivo idóneo para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión Generalidades La palabra láser es la sigla de la expresión proveniente del idioma inglés, cuyo significado es Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación). El diodo láser es un dispositivo semiconductor, que bajo condiciones adecuadas, emite luz láser. Entiéndase luz o haz láser como el efecto de la propagación concentrada resultante desde un dispositivo láser. La energía generada por un láser está dentro de la porción óptica del espectro electromagnético, según lo ilustra la Figura Un haz láser es no ionizante y abarca desde el ultravioleta ( nm), visible ( nm) e infrarrojo (700 nm - 1 mm). (Marín, 2006) 22

23 Figura 2. 3 Espectro óptico (Marín, 2006) Un dispositivo láser produce un haz intenso de radiación óptica (o de luz) altamente direccional. Si se dirige, refleja o enfoca sobre un objeto, el haz láser será parcialmente absorbido, elevando la temperatura de la superficie y/o el interior del objeto, lo que causa una potencial alteración o deformación del material. (Marín, 2006) El diodo láser está constituido por materiales semiconductores, por lo que también se le conoce como láser semiconductor o láser de inyección. Se requiere de una circulación continua de corriente eléctrica para que funcione Propiedades de un haz láser El dispositivo láser es una fuente de radiación óptica que exhibe propiedades únicas. Presenta claras diferencias con respecto a las fuentes de luz o de radiación óptica comunes. A continuación se describen las principales características que presenta el haz láser. Coherencia Esta es la principal característica que define al haz láser. Describe la propiedad de fase de las ondas de radiación óptica del haz. Un láser puede ser definido como una fuente de radiación óptica coherente. 23

24 Figura 2. 4 Ondas de radiación óptica coherentes (Marín, 2006) Direccionabilidad Es la característica que hace que el haz viaje en una dirección simple dentro de un cono angosto de baja divergencia (entiéndase divergencia como el rápido esparcimiento de la radiación emitida por la fuente de luz, en todas direcciones). Figura 2. 5 Direccionabilidad del haz láser y su divergencia (Marín, 2006) Monocromaticidad Esta característica se refiere a que el haz láser emite una radiación óptica de una sola longitud de onda, o bien con una diferencia muy pequeña entre cada onda. Esto quiere decir que la luz emitida es de un solo color, debido a que el color de la luz lo determina el tamaño de la onda. La Figura 2. 6 muestra dos diferentes colores de ondas, donde λ (lambda) representa la longitud de la onda correspondiente. 24

25 Figura 2. 6 Longitudes de onda del color rojo y azul (Marín, 2006) Intensidad Una de las ventajas que se tiene con los diodos láser es la gran intensidad de potencia por unidad de área que se logra obtener. Si bien una fuente luminosa común como es el caso de una simple bombilla, que posee una potencia de 100 W, su divergencia es muy alta y por lo tanto a una pequeña distancia de la fuente solo se podrán obtener unos cuantos W/m 2, en comparación con los diodos láser que gracias al pequeño valor de divergencia que estos tienen se logra concentrar toda la potencia del láser en áreas menores a 1 mm 2, por lo tanto es posible para el espectro de emisión del láser gran cantidad de potencia concentrada. (Gutiérrez, 2005) Figura 2. 7 Intensidad emitida por el haz láser (Besada et al., 2009) 25

26 Estructura El diodo láser es básicamente una estructura formada por varias capas de material semiconductor, dopado para crear uniones tipo P-N. Está constituido por cuatro elementos básicos, para producir luz por emisión estimulada de radiación: un medio activo, un mecanismo de excitación, un mecanismo de realimentación y un acoplador de salida. El medio activo es una colección de átomos o moléculas que se pueden excitar a un estado de alta energía. Los átomos excitados deben permanecer por un tiempo relativamente largo en alta energía para proveer fotones emitidos por emisión estimulada y no por emisión espontánea (Marín, 2006). Es el medio activo quien determina la frecuencia o longitud de onda de emisión, además de fijar el mecanismo que va a ser más eficiente para conseguir excitar al medio de modo que se consiga la inversión de población. (Gutiérrez, 2005) Este medio puede ser gas (por ejemplo una mezcla de Helio y Neón o dióxido de carbono), sólido cristalino, líquido o una unión semiconductora (Galio Arsénico o Fósforo Galio Arsénico). Este último es el caso de la composición del diodo láser. El mecanismo de excitación o bombeo es una fuente de energía externa, cuya función principal es excitar los átomos que se encuentran en el medio activo, desde su nivel de energía característico a un nivel de energía alto. Los diodos de estado sólido utilizan bombeo óptico, eléctrico, químico, térmico; sin embargo, los más utilizados son el óptico y el eléctrico. El mecanismo de realimentación es el método utilizado para aumentar la densidad de radiación electromagnética de modo que se producen más emisiones estimuladas que espontáneas. Consiste en la colocación de dos espejos, a cada lado del medio activo. De esta forma se refleja el haz emitido y regresa al medio activo, multiplicando así el número de emisiones estimuladas. 26

27 El acoplador de salida permite que una porción del haz Láser contenido entre los dos espejos deje el Láser como haz coherente. Uno de los espejos permite que algo de luz se transmita a la longitud de onda del Láser. La fracción que se escapa varía con el tipo de Láser, desde menos de 1 % para Láser HeNe a más de 80 % para Láseres de estado sólido. (Marín, 2006) La Figura 2. 8 muestra los diferentes elementos anteriormente descritos, que componen la estructura de un láser. Figura 2. 8 Elementos de un láser (Marín, 2006) El medio activo es la unión de semiconductores como Arsenuro de Galio (GaAs) con materiales tipo P (deficiencia de electrones que forman huecos que pueden aceptar electrones) y tipo N (suministro de electrones como portadores de corriente). Dos tabletas tipo P y tipo N se juntan para formar una unión P-N. Al fluir una corriente eléctrica por la unión, los electrones se recombinan con los huecos y se libera. La Figura 2. 9 muestra la construcción de un diodo láser que se basa en un cristal rectangular de uniones semiconductoras (de cerca de 100 μm de largo). Las caras de los lados están recortadas a lo largo de los planos del cristal para formar las caras paralelas del mecanismo de realimentación. El flujo de corriente es el mecanismo de excitación. (Marín, 2006) 27

28 Figura 2. 9 Capas que conforman la estructura de un diodo láser de estado sólido (Marín 2006) Principio de funcionamiento Inicialmente, es necesario describir lo que ocurre a nivel atómico en cuanto a la emisión de luz. Se sabe que los electrones pueden pasar de un nivel de energía a otro emitiendo o absorbiendo una entidad de luz, llamada fotón, con una energía igual a la diferencia entre los dos niveles de la transición. Se llama emisión espontánea cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía alto y tiende a decaer espontáneamente a un nivel de energía inferior en la siguiente emisión de luz. Por otro lado, un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada emisión estimulada. El proceso contrario, aquel en el que el fotón se absorbe induciendo la subida de un electrón a un nivel de energía superior, se llama absorción estimulada (CLPU, 2013). Los conceptos anteriores se ilustran en la Figura Por otro lado, se lleva a cabo el proceso de inversión de población cuando en el medio activo hay un número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el inferior. Es de esta forma como se amplifica la luz por emisión estimulada. 28

29 Figura Emisión de luz a nivel atómico (CLPU, 2013) Los conceptos anteriormente descritos, constituyen el principio de funcionamiento del diodo láser. Una vez activo el medio de excitación (bombeo de fotones), se estimulan los átomos que se encuentran en el medio activo, dándose así el fenómeno de inversión de población. Sin embargo, los electrones decaen rápidamente de un nivel de energía alto, al nivel anterior, hasta caer al nivel fundamental. Algunos fotones se emiten incoherentemente en direcciones aleatorias y se escapan del medio pero los fotones que viajen a lo largo del eje producen emisión estimulada, los cuales tienen la misma frecuencia y están en fase con los fotones incidentes. Seguidamente se emiten fotones en dirección perpendicular a los espejos, los cuales pasan nuevamente por el medio activo, produciendo emisión estimulada nuevamente. Si esto ocurre repetidas veces, se multiplica esa distancia y con ello la amplificación del haz láser. Una porción del haz producido estimuladamente, deja el acoplador de salida como el haz láser Curva I V del diodo láser Este apartado es de especial importancia debido a que es necesario entender la relación que existe entre la corriente suministrada y la potencia de salida del haz del diodo láser. Como se ha explicado anteriormente si la condición de la inversión de población no es alcanzada, la emisión que se obtiene es espontánea. Por lo tanto en un diodo láser la única forma de poder lograr esta condición es por 29

30 medio de un bombeo externo, esto es posible al aumentar la corriente aplicada a la unión P-N (medio activo). Por lo tanto para valores mayores de corriente umbral se obtendrá emisión estimulada y para valores menores a esta se obtiene solamente emisión espontanea. (Besada et al., 2009) Con emisión estimulada, se obtiene amplificación del haz, por lo que aumenta la potencia emitida del láser. La Figura muestra la relación anteriormente descrita. Figura Curva I-V del diodo láser (Arieli, 1997) Transferencia de calor del diodo láser El control térmico es un tema crítico en el desempeño de diodos láser semiconductores y otros dispositivos optoelectrónicos. Características como la eficiencia, estabilidad y vida útil, dependen directamente de la temperatura de operación. A través del diodo circula una corriente, la cual produce que se caliente el diodo por el efecto Joule (anteriormente explicado). Este es un mecanismo de calentamiento interno. Sin embargo, no solo el calentamiento interno del dispositivo contribuye al aumento de la temperatura de operación. Existen tres mecanismos a través de los cuales un dispositivo puede intercambiar calor con el ambiente: conducción, convección y radiación. 30

31 La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones entre esas partículas. (Ҫengel and Ghajar, 2011) La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y un líquido o gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Se dice que es convección natural (o libre) si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variación de la temperatura en ese fluido. (Ҫengel and Ghajar, 2011). El calor transferido por convección desde una superficie plana de área A y temperatura T s, hacia un fluido con temperatura T amb, viene dado por: [2.1] donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. La radiación térmica es la forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. (Ҫengel and Ghajar, 2011). Para los dispositivos ópticos, tales como los diodos láser, la potencia irradiada debido al bombeo eléctrico, puede ser significativo. Tomando como base el escrito realizado por K. P. Pipe y R. J. Ram titulado Comprehensive Heat Exchange Model for a Semiconductor Laser Diode, se considera una estructura de diodo láser semiconductor, compuesto de una región activa delgada, en contacto con una capa gruesa de sustrato, que además está en contacto con un disipador de calor. Se supone el caso típico en el que la recombinación y absorción se limitan a las proximidades de la región activa y que el calentamiento por efecto Joule en el sustrato es pequeño. Bajo 31

32 estas condiciones, la potencia de polarización que se inyecta en los contactos es casi disipada por completo cerca de la zona activa. (Pipe and Ram, 2003) Entonces es posible escribir el equilibrio de intercambio de calor para el diodo láser, tomando en cuenta la conducción a través del sustrato, convección desde la superficie superior, y la radiación de la región activa. Cabe mencionar que no es objetivo de esta investigación ahondar en el análisis matemático de la disipación de calor del diodo láser, solamente se analizará desde el punto de vista gráfico Efecto de la temperatura en el funcionamiento del diodo láser La gráfica que describe la relación entre la corriente del diodo y la temperatura, se muestra en la Figura Uno de los efectos que produce este aumento en la temperatura del láser, es el corrimiento de la corriente umbral para la generación de la emisión estimulada. (Miranda, 2012) Por la razón anterior, es necesario aumentar la corriente que trasiega el diodo láser, para mantener la emisión estimulada. Para evitar este fenómeno, es necesario utilizar métodos de enfriamiento, tal como una celda de enfriamiento (celda Peltier), un disipador de calor metálico, el cual aumenta significativamente el área superficial que está en contacto con el ambiente y por lo tanto acelera el proceso de radiación del calor. (Miranda, 2012) Figura Aumento en la corriente umbral debido a la temperatura (Miranda, 2012) 32

33 Por otra parte, la característica espectral del haz láser se ve afectada por el aumento de la temperatura. Esta relación se muestra en la Figura La longitud presenta un cambio gradual, a modo de saltos, conforme aumenta la temperatura. Las características espectrales se ven afectadas al variar la frecuencia de resonancia, implicando en un aumento de la longitud de onda y en una serie de saltos en la longitud de onda para determinadas temperaturas. (Miranda, 2012) Figura Curva longitud de onda contra temperatura (Miranda, 2012) 2.3. La celda Peltier Antecedentes El efecto Peltier fue descubierto desde 1834 por el físico francés Jean Charles Peltier, no obstante, necesitó del desarrollo de los materiales semiconductores para desarrollar su aplicación práctica. La celda Peltier es un dispositivo termoeléctrico semiconductor, utilizada como disipador de calor. Por otro lado, es necesario explicar qué significa efecto termoeléctrico. Se dice que cuando a un dispositivo termoeléctrico se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura entre una cara y la otra. A esto se le conoce como efecto Peltier. 33

34 Usualmente este efecto está definido como la absorción o emisión de calor, (en adición al calor por efecto Joule) en la unión de dos conductores a través de los cuales circula una corriente. La absorción de este calor o su emisión depende de la dirección de la corriente eléctrica, y por unidad de tiempo es igual a: [2.2] donde y son los coeficientes de Peltier de los materiales conductores y J es la corriente eléctrica. La ecuación 1 usualmente se obtiene que la temperatura es uniforme en todos lados y es una cantidad constante. (Valdés, 2005) La aplicación más común de estos dispositivos es para enfriamiento, sin embargo es posible calentar también. Esto se debe a que la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por la polaridad de la fuente que se le aplique Características Los dispositivos termoeléctricos semiconductores han tomado mucha fuerza en el campo de la microelectrónica, debido a que son dispositivos de estado sólido y no tienen partes móviles, además que posible fabricarlos en tamaños del orden de los micrómetros. La celda Peltier presenta las siguientes características: Baja eficiencia de Carnot Los dispositivos termoeléctricos son utilizados en aplicaciones donde la eficiencia no es un factor determinante. Los dispositivos termoeléctricos actuales operan alrededor del 10% de la eficiencia de Carnot, mientras que la eficiencia de un refrigerador basado en compresión, tales como los refrigeradores domésticos, operan alrededor del 30% de la eficiencia de Carnot. (Valdés, 2005) Producción de frío y calor indistintamente, simplemente invirtiendo la polaridad de la tensión aplicada. Silenciosas, no producen vibraciones. 34

35 Fácil variación de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensión de alimentación. No necesitan mantenimiento. No posee partes móviles. Asegura la estanquidad del elemento a refrigerar. Funciona en cualquier posición. Disipa calor de dispositivos microelectrónicos, tales como los circuitos integrados y por lo tanto, pueden incorporarse directamente en el chip proporcionando enfriamiento local. (Miranda, 2012) Estructura Una celda Peltier está conformada por dos materiales semiconductores uno tipo P y otro tipo N en un arreglo como el mostrado en la Figura 2. 14, produciéndose internamente el efecto Peltier. (Sandoval, sin fecha) Generalmente se utiliza Bismuto para fabricar el semiconductor tipo P y Telurio para el semiconductor tipo N. En cuanto a la distribución de los elementos semiconductores que componen la celda, están conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. El número de semiconductores siempre es impar, y los más utilizados forman un conjunto de 7, 31, 71 o 127 elementos. A algunas células termoeléctricas en el montaje se les aplica doble barrera de Níquel, con la finalidad de evitar un rápido deterioro en un constante cambio de tensiones. (Miranda, 2012) 35

36 Figura Estructura interna de una celda Peltier (Electrónica fácil, sin fecha) Principio de funcionamiento Se le llama efecto Peltier al proceso en el cual se hace pasar una corriente procedente de una fuente de energía, a través de un circuito formado por dos conductores de distinta naturaleza obteniéndose que una de sus uniones absorbe calor y la otra lo cede. El calor que cede el foco caliente será la suma de la energía eléctrica aportada al termo elemento y el calor que absorbe el foco frío. (Patterson, 2007) Modelo de transferencia de calor Como se explicó en el apartado anterior, una de las caras de la celda Peltier absorbe calor y la otra cede, es decir, una cara se enfría mientras la otra se calienta. Tal y como se observa en la Figura 2. 15, se hace circular una corriente I ent a través de la cara que absorbe calor (fría). Por su composición, esto hace que el calor absorbido por una cara, salga por la otra cara de la celda. 36

37 Figura Esquema del efecto Peltier (Patterson, 2007) En la estructura armada (conjunto diodo-peltier-disipador), la cara que enfría está viendo hacia el diodo y la cara caliente está directamente sobre un disipador de calor para que los puntos de contacto con el ambiente sean más. El la Figura se muestra la colocación de la celda Peltier. En el siguiente apartado se explica con detalle cada componente de este sistema. Figura Colocación de la celda Peltier 2.4. El diodo láser y la celda Peltier como sistema Antecedentes Uno de los objetivos de la presente investigación consiste en proponer un modelo de disipación de calor para el diodo láser. Para esto es necesario estudiar los componentes y el modelo de transferencia de calor de la estructura 37

38 con la que se cuenta actualmente, es decir, la forma en que se distribuye el calor a través de la estructura. Esta estructura se muestra en la Figura Figura El diodo láser y la celda Peltier como sistema Los elementos que componen esta estructura se describen a continuación de arriba hacia abajo: Estructura para montar el diodo láser. Material: aluminio. Diodo láser. Material: silicio. Celda Peltier: se conecta tal que la cara fría quede hacia arriba. Disipador de calor. Material: aluminio anodizado. Para simplificar el análisis, se supone compuesto de 23 aletas igualmente espaciadas entre ellas Modelo de transferencia de calor del sistema Para obtener el modelo de transferencia de calor del sistema, se hizo uso del programa Comsol Multiphysics (versión 4.2a). Se realizó un modelo en 3D, al cual se le realizó un corte transversal, pasando por el centro del sistema, simulando con los materiales respectivos de cada componente. Se realizó la simulación con la mitad del sistema para reducir el tiempo de cómputo del programa. Siendo de esta forma, en ambas partes la distribución de calor es exactamente la misma. 38

39 El método de solución que aplica el programa utilizado, es el método de elementos finitos (MEF). Es un método numérico para resolver ecuaciones diferenciales por medio de "aproximaciones discretas". A diferencia del método de diferencias finitas (MDF), en el cual la zona de solución es un conjunto de puntos discretos, el método de elementos finitos supone que la zona de solución está compuesta de muchas sub-zonas interconectadas, las que se denominan "elementos finitos". Estos elementos, los que pueden tomar formas simples (por ejemplo, líneas, triángulos, rectángulos, paralelepípedos) se ensamblan de diferentes maneras para representar la solución sobre una región cualquiera. El sistema físico se divide en series de elementos que están conectados por un número discreto de puntos nodales; este proceso se denomina "discretización". (Espinoza and Niño, 2001) Figura Ejemplo de discretización de elementos finitos (Espinoza and Niño, 2001) El modelo de transferencia de calor obtenido por el programa se presenta a continuación. Se construyó la estructura del diodo láser, la cual se muestra en la Figura 2. 19, con un material de aleación de aluminio, tal y como es en la realidad. Se ubicó la fuente de calor en la frontera del círculo interior, semejando la potencia de irradiación del láser. 39

40 Todas las paredes de la estructura están rodeadas de aire (convección), excepto la cara de abajo que es la que está en contacto directo con la celda Peltier. En este caso se define la frontera inferior como una cara que sustrae el calor, con un coeficiente de convección h = 1 W/(m 2 C), como primera aproximación. Figura Modelo estructura diodo láser Un primer estudio se realizó sin colocar la cara fría en la parte inferior y colocando la fuente de calor, esto para observar el modelo de distribución de calor. Después de realizar la simulación, se corrobora que la distribución de calor es uniforme en toda la estructura, siendo mucho más alta la temperatura en el lugar donde se coloca la fuente de calor. Con esta información, se procede a variar la colocación de la celda Peltier en diferentes caras de las estructura y con diferentes combinaciones. Se establece que la celda Peltier va a estar trabajando casi proporcionalmente a la tasa de calentamiento del diodo, es decir, el valor del flujo total de calor se establece como q = -0,98 W. Lo anterior porque la Peltier está sustrayendo el calor de la estructura. A continuación se estudia cada colocación de la celda Peltier. Colocando la Peltier abajo 40

41 Inicialmente se podría pensar que esta colocación es la más adecuada, puesto que es el área de contacto mayor entre el método de enfriamiento y la estructura. Se obtuvo que la temperatura promedio de la estructura fue de 24,0615 C. Esta distribución de calor se muestra en la Figura Figura Distribución de calor estructura diodo-peltier Colocando la Peltier arriba El dispositivo termoeléctrico se encuentra mucho más cerca de la fuente de calor, en este caso. La temperatura promedio obtenida fue de 26,32 C. Colocando la Peltier en la pared izquierda Es importante notar que si se coloca en una de las paredes de la estructura, la distribución de calor no será la adecuada, puesto que ésta cuenta con un cilindro hueco en el centro. La temperatura promedio obtenida fue de 26,32827 C. Colocando una celda Peltier en cada pared lateral de la estructura La temperatura promedio obtenida fue de 26,32828 C. Colocando la Peltier en la parte trasera de la estructura, se obtiene una temperatura promedio de 26,37 C. 41

42 Modelo de transferencia de calor propuesto Con los resultados obtenidos anteriormente, es evidente que el área de contacto entre la estructura y el sistema de enfriamiento, debe ser máxima. En los casos donde se reduce el área de contacto, es cuando se presentan las mayores temperaturas. Basándose la simulación y en la conclusión anterior, se concluye que la mejor ubicación de la celda Peltier es en la parte de abajo, tal y como se encuentra ubicada actualmente. Lo anterior porque este fue el caso que presentó la menor temperatura promedio en la estructura. En la Figura se muestra cómo la baja temperatura proveniente la celda Peltier, enfría la fuente de calor. Figura Flujo de calor estructura diodo láser Por otro lado, la celda Peltier debe poseer un disipador más grande que el que posee actualmente, puesto que después de un tiempo de funcionamiento, toda la estructura se calienta. Esto se debe a que el disipador está sobre-trabajando. Se propone cambiar el tamaño del disipador y que a su vez este tenga más aletas para disipación de calor, para que haya mucho más contacto con el 42

43 ambiente. Si se desea dejar el disipador actual, este debe funcionar inevitablemente con convección forzada Plataforma STM32F4 Discovery Serie STM32 Una plataforma en general se define como aquella estructura, de software y/o hardware, sobre la cual algunas aplicaciones son capaces de ser ejecutadas. (Miranda, 2012). La serie STM32 es una familia de microcontroladores, desarrollados por STMicroelectronics. Las tarjetas STM32 se basan en los núcleos ARM RISC de 32 bits de ARM Holdings, tales como Cortex-M4F, Cortex-M3, Cortex-M0+ y Cortex-M0. La familia STM32 está compuesta por siete series de microcontroladores: F4, F3, F2, F2, F0, L1, W. Esta familia es producida desde el año 2007 y es la tercera de STMicroelectronics. La siguiente tabla, resume las series de microcontroladores STM32: Tabla 2. 1 Microcontroladores STM32 Serie STM32 F4 F3 J F2 F1 L1 W J F0 Núcleo CPU ARM Cortex-M4F ARM Cortex-M3 ARM Cortex-M Descripción La plataforma STM32F4 Discovery es una placa de evaluación de bajo costo para el rango de microcontroladores de STM34F4 ARM Cortex-M4. Basada en la STM32F407VGT6, que incluye una herramienta de depuración incrustada ST-LINK/V2, dos MEMS de ST, acelerómetro digital y micrófono 43

44 digital, un DAC de audio con el controlador de altavoz integrado clase D, LEDs y botones pulsadores y un conector USB OTG micro-ab. La serie STM32F4 y la plataforma STM32F4 Discovery son producidas a partir de setiembre de Es el primer grupo basado en ARM Cortex-M4F Arquitectura ARM ARM son las siglas de Advanced RISC Machine. La arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer) es un tipo de diseño de CPU que se utiliza generalmente en microcontroladores. A continuación se presentan algunas características: Instrucciones de tamaño fijo, mostradas en un reducido número de formatos Disponen de muchos registros de propósito general Ejecutan instrucciones en paralelo y reducen los accesos a memoria El procesador ARM Cortex -M4 es el último procesador incrustado, desarrollado por ARM, específicamente para hacer frente a los mercados de control de señales digitales que demandan un servicio eficiente y fácil de usar. Algunas características de este procesador se enlistan a continuación: 1. Floating Point Unit o Unidad de Punto Flotante (FPU): componente de la CPU, especializado en el cálculo de operaciones en punto flotante. Precisión simple Facilidad de uso Mejor eficiencia de código Más rápida al mercado Elimina ajuste y saturación Apoyo fácil para herramientas con meta-lenguaje (Matlab por ejemplo) 2. Microcontroller Unit o Unidad de Microcontrolador (MCU): Facilidad de uso de la programación en C Interrupción de la manipulación 44

45 Ultra- baja potencia 3. Digital Signal Processor o Procesador de señales Digitales (DSP): Arquitectura Harvard (utiliza dispositivos de almacenamiento físicamente separados para datos e instrucciones) Instrucciones MAC de único ciclo Figura Procesador Cortex- M4 (ST Microelectronics, sin fecha) Características de la plataforma STM32 F4 Discovery Figura Placa STM32F4 Discovery (ST Microelectronics, sin fecha) La placa STM32F4 Discovery ofrece las siguientes características: 45

46 Core ARM Cortex-M4F a una velocidad máxima de reloj de 180 MHz; 192 KB de RAM estática, 64 KB de CCM (del inglés Core Coupled Memory), 4 KB batería de respaldo, 80 bytes de batería de respaldo con detección de manipulación de borrado; Microcontrolador STM32F407VGT6 con 1 MB de memoria flash, que consta de 512/1024/2048 KB de uso general, 30 KB sistema de arranque, 512 bytes programables una vez (One Time Programmable), 16 bytes de opciones. Encapsulado LQFP100; Cada chip tiene un número identificador de dispositivo único de 96 bits, programado de fábrica; ST-LINK/V2 incorporado con selector usar el kit como un ST- LINK/V2 independiente (con conector SWD para programación y depuración); Fuente de alimentación: a través del bus USB o desde una fuente de alimentación externa de 5 V o 3,3 V; Sensor de movimiento ST MEMS LIS302DL, acelerómetro con salida digital de 3 ejes; Sensor de audio ST MEMS MP45DT02, micrófono digital omnidireccional; Audio DAC CS43L22 con controlador integrado de altavoz clase D. 16 DMA, 6 USART, 3 SPI, 3 I2C, 3 ADC, 2 DAC, RTC, unidad CRC, Ethernet, 2 USB OTG, varios temporizadores, 2 watchdogs independientes; Ocho LEDs: o LD1 (rojo / verde) para la comunicación USB o LD2 (rojo) alimentación 3,3 V o Cuatro LEDs de usuario, LD3 (naranja), LD4 (verde), LD5 (rojo) y LD6 (azul) o 2 LEDs USB OTG LD7 (verde), VBus y LD8 (rojo) Dos pulsadores (usuario y reset); USB OTG FS con conector micro-ab; 46

47 Cabecera de extensión para todos LQFP100 E / S para conexión rápida de placa de prototipo y fácil sondeo; Rango de tensión de operación: 1,8 V hasta 3,6 V; Descripción de componentes y pines Figura Descripción de componentes y pines (ST Microelectronics, sin fecha) 16 DMA: canales de acceso directo a memoria 6 USART: Transmisor/receptor asíncrono síncrono universal 3 SPI: protocolo de datos en serie utilizado por microcontroladores para comunicarse con uno o más dispositivos periféricos rápidamente en distancias cortas, o bien para la comunicación entre dos microcontroladores. 47

48 3 I2C: es un bus de comunicaciones en serie. Su nombre viene de Inter-Integrated Circuit (Inter-Circuitos Integrados). Utilizado en la industria, principalmente para comunicar microcontroladores y sus periféricos integrados (embedded systems) y para comunicar entre sí circuitos integrados alojados en el mismo circuito impreso. 3 ADC: convertidor analógico- digital 2 DAC: convertidor digital- analógico RTC: reloj en tiempo real Unidad CRC: inspector cíclico de redundancia Ethernet 2 USB OTG Varios temporizadores 2 watchdogs independientes: temporizador electrónico, cuyo funcionamiento es detectar y recuperarse de fallos. Una de las ventajas que presenta el microcontrolador es que cada uno de los pines trabaja con una base de reloj, se puede elegir entre tres bases de reloj, cada patilla se puede inicializar y trabajar por separado. Cada una de las patillas se puede inicializar como entrada o salida de propósito general, bajo el estándar I/O o bien como GPIO. Cada patilla tiene varios estados en los que se puede trabajar, por ejemplo: entrada, salida, alto, bajo, alta impedancia, con potencia y sin potencia, entre otras. En este proyecto, se hará uso de algunos de estos estados, tales como: alto, bajo, salida analógica asociada a un DAC, entrada analógica asociada a un ADC, entre otras Características de la alimentación La plataforma de trabajo STM32F4 Discovery, fue diseñada para ser alimentada por medio de una conexión USB o bien desde una fuente de alimentación externa de 5 V o 3,3 V. 48

49 Modelos STM32F4 En la Figura 2. 25, se muestra un cuadro- resumen con los modelos de la serie STM32F4 y las características más importantes de cada uno. El modelo STM32F407 corresponde al que se utilizará para desarrollar el presente proyecto (STM32F4 Discovery). Figura Cuadro comparativo modelos STM32 F4 (ST Microelectronics, sin fecha) STM32F MHz CPU/105 DMIPS. Nivel de entrada de la serie STM32 F4, ofreciendo la capacidad de potencia inferior frente a los otros miembros de esta serie. STM32F405/ MHz CPU/210 DMIPS, hasta 1 MB de flash con conectividad avanzada y encriptación. STM32F407/ MHz CPU/210 DMIPS hasta 1 Mbyte de flash añadiendo Ethernet MAC y la interfaz de la cámara a la STM32F405/

50 STM32F427/ MHz CPU/210 DMIPS, hasta 2 MB de flash añadiendo más conectividad y funciones de encriptación a la STM32F407/F417. STM32F429/ MHz CPU/225 DMIPS, hasta 2 Mbytes de flash, con interfaz SDRAM, pantalla LCD del controlador, Chrom-ART Accelerator, interfaz de audio, mayor rendimiento y menor consumo de energía estático en comparación al STM32F4x7 / F4x5. (ST Microelectronics, sin fecha) Comparación con las plataformas Arduino Uno y Raspberry Pi Para estudiar las ventajas que presenta la plataforma STM32F4 Discovery, es importante compararla contra otras plataformas de uso cotidiano, tales como el microcontrolador Arduino Uno y el Raspberry Pi. A continuación se describen las características más importantes de las plataformas mencionadas. Arduino UNO El Arduino UNO es un microcontrolador equipado con la placa ATmega328, posee 14 pines digitales de Entrada/Salida (seis de los cuales pueden ser usados como salidas PWM), seis entradas analógicas, un cristal que brinda una frecuencia de operación de 16 MHz, posee un puerto de conexión USB, cabecera ICSP y un botón de reset. Cuenta con el ATmega16U2 programado como un convertidor USB-to-serial. (Miranda, 2012) Raspberry Pi El Raspberry Pi es un sistema incrustado (del inglés embedded) que incluye un procesador central ARM1176JZF-S a 700 MHz, un procesador gráfico (GPU) y 512 MB de memoria RAM (modelo B). 50

51 No posee disco duro ni memoria flash, puesto que utiliza una tarjeta SD como método de almacenamiento. A continuación, a manera de comparación, se presenta un cuadro que resume los datos más importantes de cada una de las plataformas. Tabla 2. 2 Comparación entre STM32F4 Discovery, Arduino Uno y Raspberry Pi Características STM32F4 Discovery Arduino Raspberry Pi Uno Microcontrolador STM32F407VGT6 ATMega328 ARM1176JZF-S Memoria Flash 1 MB 32 KB SD exterior Memoria SRAM 192 KB 1536 KB 512 MB Pines 80 de propósito general 14 (6 PWM) 17 de propósito general Alimentación 5 V (USB) 5 V (USB) 5 V (USB) Tensión de 1,8 V- 3,6 V 5 V 3,3 V- 5 V operación Frecuencia de 168 MHz 16 MHz 700 MHz operación Costo $39,99 $21,95 $43,32 Compilador Gratis Gratis Gratis 2.6. Sistemas controlados Control es la acción de modificar la entrada de un proceso, de manera que la salida (variable de interés) se comporte como es deseado (Ulloa, 2012). De acuerdo con la definición anterior, a continuación se describen algunos tipos de sistemas: Sistema sin control: Es un sistema en el cual no se toma ninguna acción correctiva (cambio en la variable manipulada), en caso de presentarse desviaciones de la variable controlada respecto a su valor deseado. (Alfaro, 2011) 51

52 Sistema de control de lazo abierto: Es un sistema en el cual se toman acciones correctivas con base en la información de una o más variables del proceso (normalmente de la misma perturbación), pero no de la variable controlada. No existe realimentación. (Alfaro, 2011) Figura 2. 26Sistema de control a lazo abierto (Carrillo, 2009) Sistema de control de lazo cerrado: Es un sistema de control en el cual las acciones correctivas se toman con base en la diferencia entre el valor deseado y el valor real de la variable controlada, denominado error, se tendrá un sistema de control de lazo cerrado o sistema de control realimentado. (Alfaro, 2011) Figura Sistema de control de lazo cerrado (Alfaro, 2011) Se dice que un controlador paralelo es de la forma: [2.3] Y un controlador estándar es de la forma: ( ) [2.4] Sistemas de control realimentados La Figura 2. 1 muestra un sistema de control realimentado. Se observa que se compone de dos funciones de transferencia y otras variables. A continuación 52

53 se describen las variables de interés de este sistema, así como las funciones de transferencia que se muestran. Señal de referencia o valor deseado r(s): Esta señal es la que indica el valor deseado que se quiere obtener en la variable controlada. Esta es definida por el operador. Función de trasferencia C(s): Corresponde al controlador diseñado para ejercer el control sobre la plata o proceso. Señal de salida de controlador u(s): Corresponde a la señal de control. Esta señal se ubica a la salida del controlador y su función es proveer la información necesaria para tomar las acciones correctivas que correspondan, con respecto al valor deseado. Perturbaciones d(s): Esta señal corresponde a una entrada al sistema a controlar. Consiste en cualquier tipo de señal que perturbe el correcto funcionamiento del sistema controlado. Función de trasferencia P(s): Corresponde al modelo del comportamiento de la planta o proceso que se quiere controlar. Señal realimentada o variable controlada y(s): Corresponde a la señal de salida del sistema a controlar. Se le llama también señal realimentada porque mediante un lazo de realimentación, se sabe cuál es la diferencia entre esta señal y el valor deseado. En caso de que esta señal presentara ruido, es necesario filtrarlo antes de hacer la comparación. Error e(s): Corresponde a la señal de entrada del controlador y representa la diferencia entre el valor deseado y la variable controlada. A partir de este valor, el controlador toma las acciones necesarias para corregir la diferencia y tratar de llevar el error a cero. En conclusión, el sistema de control requiere conocer el valor deseado para la variable controlada, para tomar la acción correctiva al momento de presentarse 53

54 un error, ya sea por el efecto de las perturbaciones o por un cambio en el valor deseado Algoritmo de control PI Este tipo de controlador presenta una parte proporcional y otra integral. La ecuación característica en el dominio del tiempo, describe una parte proporcional que es la que se encarga de amplificar o reducir la ganancia, según se requiera, y la parte integral que efectúa la operación matemática de integración, para corregir los errores que se presentaron en el pasado. En la ecuación 2.5 se muestra la respuesta en el tiempo u(t) ante una entrada de error e(t) para un controlador PI paralelo. [2.5] La función de transferencia de este controlador viene dada por la ecuación 2.6. ( ) [2.6] Donde K p es la ganancia proporcional y T i el tiempo integral, en segundos. El diagrama de bloques del controlador PI paralelo se muestra en la Figura Figura Diagrama de bloques algoritmo de control PI (Alfaro, 2011) 54

55 Control ON/OFF El control ON/OFF es el método más simple de control realimentado. Este tipo de control es económico, pero no lo suficientemente preciso para algunos procesos. Para este tipo de control, se requiere de una banda muerta alrededor del punto de ajuste, para evitar que el relé varíe constantemente alrededor del punto de ajuste. Este tipo de controlador no tiene la posibilidad de ajustarse a las constantes de tiempo del sistema a controlar. Su principal ventaja es que es de bajo costo, además de ser más eficiente para casos donde solamente haya que encender y apagar algún dispositivo, dado un nivel máximo y mínimo. Para poder implementar este controlador, es necesario que el tiempo muerto para la constante de tiempo del proceso sea pequeño, prevenir una amplitud grande en el ciclo de medición. En la Figura se presenta la salida de un control ON/OFF con respecto a la temperatura. Figura Salida control ON/OFF Con este controlador, se quiere ofrecer un control de la temperatura más eficiente, en el cual la Peltier se encienda solamente cuando ha llegado a un umbral máximo de temperatura y se desconecte cuando la temperatura ha llega a su umbral mínimo. 55

56 Transformada Z La transformada Z es aquella que convierte una señal real o compleja, definida en el dominio del tiempo discreto, en un equivalente en el dominio de la frecuencia compleja, donde Z representa la variable compleja. Se hace referencia a esta transformada puesto que la librería PID para el microcontrolador STM32F4, viene definido como in PID paralelo, específicamente en el dominio de la frecuencia compleja. Para el bloque proporcional, se conserva la ganancia en cualquier tipo de controlador (ya sea estándar o paralelo). Para el bloque derivativo y el bloque integral, se hace referencia a la tabla que se presenta en la Figura Se observa que para el bloque derivativo, se hace uso de la propiedad de primera diferencia y para el bloque integral, se utiliza la propiedad de acumulación. Figura Propiedades primera derivada y acumulación de la Transformada Z (ITCR, sin fecha) Finalmente, cada una de estas ecuaciones, se multiplica por la ganancia de cada bloque. Estas ganancias vienen definidas por los tiempo integral (Ti) y derivativo (Td) de la ecuación para un controlador estándar. En la Figura se muestra el diagrama de bloque que interpreta la librería PID de la STM32F4. 56

57 Figura Diagrama de bloques PID dominio Z (ST Microelectronics, sin fecha) 2.7. Análisis del control por software Uno de los objetivos de la presente investigación es valorar la posibilidad de implementar este sistema pero controlado por software en lugar de hardware. Realizando un estudio de antecedentes, se encuentra la implementación de un control por software para un diodo láser, por medio de la herramienta de control LabVIEW. En esto consiste el proyecto realizado por el estudiante Esteban Ulloa Echandi. Esto quiere decir que en efecto, el viable realizar un control por software para gobernar la corriente y la temperatura en un diodo láser. Se propone que el software a utilizar sea el programa LabVIEW que por medio de lenguaje de programación basado en bloques, esta se hace mucho más fácil. A la vez, esta opción brinda más herramientas para hacer la interfaz gráfica mucho más amigable y sencilla para el usuario. (Miranda, 2012) Ahora bien, revisando bibliografía y videos, se encontró que estos procesadores son compatibles con el programa LabVIEW. Se encontraron algunas aplicaciones que utilizan LabVIEW para realizar el control por software, por ejemplo la detección de inclinación por medio de un sensor. Por lo tanto, se plantea la opción de desarrollar un programa donde se muestre por medio de software, los mismos indicadores y 57

58 controles que se utilizarán en el control por hardware. Por medio de software se medirían las variables de interés, además mostrará la información al usuario. Para que el usuario pueda fijar y observar los valores de interés, se necesitará de una interfaz gráfica como la que se muestra en Figura Figura Interfaz gráfica con el usuario (Miranda, 2012) Queda como objetivo para futuros proyectos, implementar el control por software. 58

59 Capítulo 3 3. Diseño del sistema de control 3.1. Descripción general El sistema de control se compone de tres etapas principales: el driver del diodo láser, el sistema de control de temperatura y el microcontrolador STM32F4 Discovery. Para realizar el control de corriente y temperatura del diodo láser, es necesario conocer las especificaciones y requerimientos del mismo, los cuales se citan a continuación: El sistema de gobierno debe ser capaz de establecer el valor de corriente que el usuario fije en el diodo láser, por medio de la STM32F4. El sistema debe ser capaz de modificar la corriente que trasiega el diodo láser en pleno funcionamiento, en cualquier momento que el usuario lo necesite, sin necesidad de apagar el sistema. El sistema de gobierno debe ser capaz de controlar el valor de la temperatura que el diodo láser presente, con el fin de evitar daños a causa de altas temperaturas que este pueda alcanzar durante su funcionamiento. El sistema de control debe poseer dos modos de operación: onda continua (CW) y onda pulsante (PW). Este deber ser escogido por el usuario por medio de un interruptor. El sistema debe presentar la opción para trabajar con un modo de tiempo definido y otro indefinido, el cual el usuario escogerá por medio del menú que se presenta en el display. 59

60 El sistema de control debe mostrar por medio de la interfaz de usuario, la corriente deseada a trasegar por el diodo láser, el tiempo restante si es que se trabaja con modo de tiempo definido, la temperatura, y la frecuencia de operación, si es que se trabaja en modo PW. El sistema debe poseer un interruptor que permita elegir la forma de controlar la corriente del diodo láser, ya sea por medio del lazo de realimentación o bien por medio de un fotodiodo, el cual captura la potencia de emisión del rayo láser y envía esta información a la STM32F4. Este método no se desarrollará, solamente se propondrá un diseño en caso de que se utilice el fotodiodo. Asimismo, se colocará el interruptor físico, sin embargo solo se mostrará en pantalla si se ha escogido la opción del control con fotodiodo. En la Figura 3. 1 se muestra el diagrama de bloques general del sistema a diseñar y su relación con la placa STM32F4 Discovery. Figura 3. 1 Diagrama de bloques general del sistema a diseñar 60

61 3.2. LCD Keypad Shield YJD1602A-1: dispositivo de ingreso de datos al sistema El control por hardware se realizará mediante un display LCD, modelo LCD Keypad Shield YJD1602A-1, el cual posee una botonera con cinco botones básicos: ARRIBA, ABAJO, DERECHA, IZQUIERDA y SELECT. La salida del teclado se conectará a una patilla de la placa STM32F4, la cual va a estar configurada como ADC, para luego capturar los datos que el usuario esté ingresando. En la Figura 3. 2 se observa el display LCD y el teclado que este shield trae consigo. Figura 3. 2 LCD Keypad Shield YJD1602A-1 [27] Es importante resaltar que este modelo de LCD fue creado específicamente para utilizar con Arduino. Sus patillas y niveles de tensión están dispuestos para que trabaje directamente con esta placa, por lo que fue necesario crear una librería que permita configurar este dispositivo, para su correcto funcionamiento y comunicación con la placa a utilizar en el presente trabajo. Como el nivel de tensión con el que trabaja la STM32F4 no es TTL (como Arduino), es necesario colocar una resistencia de 3 kω entre las patillas OUT y GND del teclado, como método de protección para la tarjeta. Esta resistencia está designada como RX en la Figura Este valor se obtuvo mediante un divisor de tensión realizado con la resistencia interna que tienen en común todos los botones 61

62 del teclado (2 K Ω), con una tensión de alimentación de 5 V proveniente del USB, tal que la tensión de salida del teclado fuese 3 V. Se observa en la Figura 3. 3, el divisor de tensión se realizó con la resistencia que se encuentra justo debajo de Vcc (R2) y la patilla AD0, va conectada directamente al puerto PC0 del microcontrolador, que estará configurado como ADC. Figura 3. 3 Diagrama teclado [26] Dado que el display fue diseñado para la placa Arduino, se vio la necesidad de investigar un diagrama de conexión adecuado. Se utilizó un ejemplo que sirvió como guía para realizar esta conexión. En la Figura 3. 4 se muestran las patillas del teclado y del display. 62

63 Figura 3. 4 Patillas LCD Teclado [25] El ejemplo de conexión que se encontró es para Arduino. Después de realizar una amplia investigación, se adaptó a la tarjeta STM32F4. La Figura 3. 5 muestra las patillas disponibles del display, de las cuales solamente se utilizan los puertos D4, D5, D6 y D7 para datos, además de E (enable), RS (reconocimiento de dato o instrucción), VDD y VSS (GND). Figura 3. 5 Interface de usuario LCD [26] 63

64 A continuación se muestra la asociación de estos puertos con los puertos que se escogieron como entrada en el microcontrolador: Tabla 3. 1 Asociación LCD- STM32F4 Puerto LCD Puerto STM32F4 VSS GND VDD 5 V RS PB0 E PB1 D4 PB4 D5 PB5 D6 PB6 D7 PB7 El usuario contará con el siguiente menú para la configuración del funcionamiento del diodo láser: Tabla 3. 2 Menú de configuración Presentación Natalia Ulloa Modo de tiempo Indefinido Corriente (ma) Valor programado Temperatura Valor actual C Frecuencia (Hz) Valor programado Temp deseada Valor programado C 64

65 Para navegar por el menú, se utilizarán las teclas arriba y abajo. Para aumentar o disminuir los valores, se utilizarán las teclas DERECHA e IZQUIERDA. La tecla SELECT solamente se utiliza para fijar el valor de la frecuencia, si se está trabajando en modo PWM. A continuación se describe el funcionamiento del menú: Presentación: Despliega el nombre Natalia Ulloa. Modo tiempo: Se trabaja con dos opciones, con tiempo de funcionamiento indefinido que se activa con solo bajar a la siguiente pantalla y el tiempo de funcionamiento definido, que se puede aumentar presionando la tecla DERECHA o disminuir la tecla IZQUIERDA. El máximo tiempo a definir son 60 segundos y la cuenta regresiva empieza en cuanto se gire la llave de paso de la fuente de alimentación del láser. Corriente: La potencia que se observará en el diodo láser, la escoge el usuario por medio del valor de corriente que se le aplique. Este valor debe estar entre 0 ma y 1000 ma, que es la corriente máxima de diseño para el correcto funcionamiento del láser. Al igual que la opción para el tiempo, la opción para variar la corriente se hace por medio de las teclas DERECHA e IZQUIERDA. Este valor se puede variar con o sin la llave de paso girada. Temperatura: Esta pantalla se utiliza para mostrar el valor real de la temperatura que se está detectando en el diodo láser. Frecuencia: Esta pantalla se utiliza solamente si se está trabajando en modo PWM, para establecer la frecuencia de la onda cuadrada de este modo de operación. Es posible elegir un valor de frecuencia entre 1 Hz y 10 Hz y esto se hace con las teclas DERECHA e IZQUIERDA. Una vez elegido el valor, es necesario presionar SELECT para configurar el valor de frecuencia. Todo esto es necesario hacerlo cuando la llave de paso no esté girada, porque una vez que se gire, no es posible modificar este valor. Si es necesario modificar este valor, se requerirá reponer la llave a su estado de apagado y volver a configurar la frecuencia. 65

66 Temperatura deseada: El usuario escoge un valor de temperatura deseada en el diodo láser, haciendo uso de esta pantalla. La mínima temperatura elegible es 17 C y la máxima 25 C Diseño del entorno electrónico Para llevar a cabo el control adecuado del driver para el diodo láser, se requiere de algunas etapas analógicas que establecerán el nivel de tensión y corriente necesaria para el correcto funcionamiento del dispositivo a controlar. Para llevar a cabo este sistema, se tomó como base el diseño propuesto en el proyecto Sistemas de gobierno para diodos láser con Tecnología Arduino y enfriamiento con Peltier, en el que se escogió el mejor y más simple sistema casero que se puede construir. Antes de iniciar con el diseño, es importante especificar que el nivel de tensión que se utilizó, fue de 3 V. Lo anterior debido a que con esto se trabaja dentro de un margen seguro, dado que la placa trabaja con una tensión máxima de 3,6 V. Para las distintas etapas analógicas, se hará uso del amplificador LF353, debido a que este posee las características de ganancia, bajo ruido y comportamiento en frecuencia adecuados. Se utilizarán las siguientes fuentes de alimentación: + 12 V y 12 V para alimentar los LF353. Una fuente de alimentación de 7 V que pueda entregar mínimo 2 A para alimentar el diodo láser. Esta fuente contempla las caídas de tensión de los elementos conectados en serie con el diodo láser. Una fuente de alimentación de 12 V, que entregue mínimo 2 A para alimentar la celda Peltier. Para alimentar el microcontrolador se propone utilizar un regulador de 5 V. Para desarrollar este proyecto, se alimentará por medio de la conexión USB. Se utilizará una llave de paso, colocada entre la fuente que alimenta el diodo y él mismo. Cuando se gira la llave se logran dos cosas importantes: 1) se polariza el láser, esto quiere decir que se conmuta el láser y 2) se informa a la tarjeta que la 66

67 llave está en posición de encendido. Además, esta es la forma en la que se inicia el encendido del láser, a la vez que se utiliza como medida de seguridad. Siempre que la llave está apagada o si el tiempo de funcionamiento se venció, el láser no se encenderá. Al estar esta llave conectada a los 7 V de entrada, la línea que lleva la información hacia la tarjeta, debe presentar una reducción de esta tensión de entrada a 3 V. Esto se logra mediante un divisor de tensión, escogiendo un valor de resistencia. Para R 1 = 10 kω, se obtiene un valor de R 2 = 7,5 kω. En la Figura 3. 6 se muestra este circuito simulado. Figura 3. 6 Circuito llave de paso Diagrama de flujo En la Figura 3. 7 se muestra el diagrama de bloques para el control del diodo láser. Figura 3. 7 Diagrama de bloques para el control del diodo láser 67

68 Es posible observar que con respecto al proyecto anteriormente realizado por Miranda, se redujeron las etapas analógicas necesarias para llevar a cabo el control. Este fue uno de los objetivos más importantes, hacer más eficiente la circuitería analógica por medio de la eliminación de varias etapas físicas de control. Esto fue posible debido a las grandes posibilidades que presenta la tarjeta STM32F4, a diferencia del Arduino. Por ejemplo, el Arduino solamente posee salidas PWM, por lo que era necesario colocar un convertidor de potencia promedio a la salida del mismo y de esta forma obtener una señal continua. Con la STM32F4 no fue necesario implementar esta etapa física, puesto que se pueden definir tanto salidas analógicas como digitales, para ambos modos de funcionamiento (CW y PWM respectivamente). Más adelante se hará una referencia más detallada a este hecho. El interruptor para PW o CW es doble y cumple las siguientes funciones: 1) escoger en qué modo se quiere trabajar (PW o CW) y 2) informarle a la tarjeta en qué posición se encuentra el interruptor Driver para el diodo láser, bloque (1) Se utilizó el driver para diodo láser propuesto en el proyecto de Rodrigo Miranda, tomado de un documento propuesto por el fabricante de componentes electrónicos Texas Instruments, en el documento Optoelectronics Circuit Protection, escrito por Neil Albaugh. La Figura 3. 8 muestra el esquemático del driver propuesto por Albaugh. La configuración de resistencias que se sugiere es tal que a 1 V a la entrada, se producirá 1 A a la salida. Puesto que esta configuración de resistencias no funciona para la aplicación que se le quiere dar en este caso, es necesario analizar el amplificador y de esta forma encontrar la ecuación que relacione la tensión de entrada con la corriente que pasa a través del diodo láser. 68

69 Para esto se utiliza el análisis por cortocircuito virtual, propuesto por Miranda. De la Figura 3. 8, se designa como V x la tensión del diodo láser. Se definen las ecuaciones para V - y V +, se tiene: [3.1] [3.2] El capacitor que se coloca entre la entrada inversora y la salida, tiene como finalidad disminuir el ruido en la base del transistor, por lo que no se considera en el análisis. Realizando el análisis por cortocircuito virtual y tomando la recomendación que se cita en el documento de hacer R 1 = R 3 y R 2 = R 4, se llega a la expresión [3.3], la cual muestra la relación entre la tensión de entrada y la corriente de salida (corriente del diodo láser). [3.3] 69

70 Figura 3. 8 Esquemático del driver para el diodo láser (Albaugh, 2001) Con la ecuación [3.3], se diseña el driver tal que para una tensión de 3 V, se tenga una corriente máxima de salida de 1 A, por lo tanto: V in = 3 V, I o = 1 A, R 1 = 10 kω y R shunt = 1 Ω. De esta forma se obtiene que el valor de la resistencia R 4 necesaria es de 3,35 kω. Una vez diseñado, se procede a probar su correcto funcionamiento, haciendo uso del simulador de circuitos Tina. Debe tomarse en cuenta que para las pruebas del sistema de control, se utilizó un diodo LED, de comportamiento similar al diodo láser. Además, se coloca un diodo Zener de 3,3 V a la entrada del driver, como método de protección. El transistor de paso que se utilizará en la implementación es el TIP142. La Figura 3. 9 muestra el resultado de esta simulación. Se observa claramente que con la combinación de resistencias escogidas, ante una entrada de 3 V, a la salida se obtiene 1 A. 70

71 Figura 3. 9 Simulación del driver para el diodo láser Amplificador no inversor, bloque (2) Esta etapa se hace necesaria puesto que la corriente que pasa a través del diodo es hasta 1 A, por lo que la tensión en la resistencia R shunt (cuyo valor es 1 Ω), será de 1 V. Esto quiere decir que los valores de tensión que se obtendrán a la salida serán menores a 1 V, por lo tanto es necesario obtener una amplificación de este valor para que este sea interpretado correctamente por la STM32F4, como el valor de corriente que pasa a través del diodo láser. La amplificación requerida, es de tres veces el valor de entrada, puesto que el valor máximo de diseño es de 1 A a través del láser, lo que significa que se tendrá máximo 1 V a la entrada del amplificador. En la Figura se muestra el esquemático del amplificador no inversor que se utilizará. Si se realiza un análisis por cortocircuito virtual, se obtiene que la ecuación [3.4] es la que relaciona la tensión de entrada con la de salida. 71

72 Figura Esquemático del amplificador no inversor (Miranda, 2012) [3.4] Si se escoge R 1 = R 3 = 10 kω, para una tensión de entrada V i = 1 V y una tensión de salida V o = 3 V, se obtiene que el valor de la resistencia R 2 debe ser de 20 kω. Una vez obtenido este valor, se procede a simular su funcionamiento. Tal y como se observa en la Figura 3. 11, el circuito funciona correctamente. Figura Simulación amplificador no inversor Diagrama de flujo con fotodiodo Para implementar el fotodiodo, se hace necesario añadir una nueva etapa al diagrama de bloques general. Este corresponde al bloque (3) de la Figura 3. 12, 72

73 que consiste en implementar un amplificador no inversor que sea proporcional a la curva de sensibilidad del fotodiodo. Esta curva se obtiene fácilmente de la hoja de fabricante del fotodiodo que se utilice. Se debe hacer una escogencia del método de control (por fotodiodo o por corriente) por medio de un interruptor doble, el cual cumple las siguientes funciones: 1) escoger el circuito amplificador a utilizar (que en este caso es diferente para los dos modos de operación) y 2) informar a la tarjeta en qué modo se está operando. Figura Diagrama de bloques para el control del diodo láser con fotodiodo El circuito a implementar contará con un interruptor simple que simula la presencia del fotodiodo, es decir, cuando se disponga hacia arriba se está trabajando con fotodiodo y en pantalla saldrá un mensaje Sección con fotodiodo. En otras palabras, el programa contará con la alerta que llega hacia la tarjeta para indicarle en qué modo de operación se está trabajando. Finalmente, en la Figura se propone el diseño del driver con el fotodiodo incorporado. 73

74 Figura Diseño con fotodiodo 3.4. Diseño del sistema de enfriamiento Para el sistema de enfriamiento, se plantearán dos soluciones distintas. Una gira en torno a la implementación de un PID para poder establecer el valor de temperatura deseado en el diodo láser y la otra consiste en utilizar un método de control ON/OFF, de tal forma que al exceder un umbral máximo de temperatura, el enfriamiento de la Peltier, reforzado con convección forzada para la cara que disipa calor, se active Opción 1: Control PID Esta opción se desarrolla utilizando la librería PID que posea el compilador a utilizar. Se hace uso del diagrama de bloques propuesto por el estudiante Rodrigo Miranda en su proyecto, el cual se muestra en la Figura

75 Figura Diagrama de bloques sistema de enfriamiento, opción 1 A continuación se hace una descripción del funcionamiento de cada uno de los bloques que componen el sistema Convertidor de tensión a corriente, bloque (1) Este bloque se hace necesario puesto que el dispositivo termoeléctrico a utilizar, la celda Peltier, es un dispositivo semiconductor que funciona con corriente en lugar de tensión. Es necesario convertir el nivel de tensión que viene del STM32F4 a un valor de corriente tal que sea la suficiente para mantener el diodo láser en un nivel de temperatura seguro para su operación. (Miranda, 2012) La configuración que se utiliza consiste en un transistor de potencia trabajando en su zona lineal y por lo tanto, al variar la corriente de base por medio de la tensión que se aplica a esta (en este caso, es la tensión de la STM32F4), variará la corriente de colector alcanzando un valor tal que se alcance una temperatura segura para el funcionamiento del diodo láser. (Miranda, 2012) El diseño de este bloque se muestra en la Figura A continuación se procede a calcular la corriente máxima que pasará por la celda Peltier. La 75

76 ecuación que relaciona la tensión base-emisor con la tensión de entrada en un transistor es: [3.5] La expresión que relaciona la corriente de base con la corriente de colector es: [3.6] Despejando de [3.6] y al sustituir en [3.5], se obtiene: [3.7] A partir de los valores que el fabricante provee para un transistor TIP31C, es posible calcular la corriente de colector al utilizar una resistencia R b = 220 Ω y una ganancia β = 50, dando como resultado: [3.8] De esta forma se obtiene una corriente de colector. Figura Convertidor de tensión a corriente 76

77 TEC, bloque (2) El dispositivo termoeléctrico a utilizar es la celda Peltier. Refiérase al apartado 2.3 de este documento para conocer acerca de su funcionamiento Sensor de temperatura, bloque (3) Este bloque consiste en el sensor de temperatura TMP36, caracterizado por no presentar histéresis y por no necesitar calibración para su funcionamiento. Será necesario realizar pruebas con el sensor, para obtener una tabla que muestre la tensión real de salida del sensor ante diferentes temperaturas, alimentándolo con 3 V. A continuación se presenta la curva que relaciona la temperatura con la tensión de salida del sensor: Figura Curva temperatura contra tensión de salida, sensor TMP36 Se define el umbral de temperatura mínimo como 18 C, que corresponde a 0,688 V en la gráfica y el umbral de temperatura máximo como 28 C, que corresponde a 0,785 V. Es importante mencionar que entre el bloque 2 y 3 no existe conexión eléctrica, la conexión es física. 77

78 Amplificador de tensión, bloque (4) Observando la Figura 3. 16, se hace evidente que la variación en la tensión de salida del sensor, con respecto a la variación de la temperatura, es muy pequeño. Por esto se hace necesario agregar una etapa de amplificación a la salida del sensor, que su salida corresponda a tres veces la entrada. Esto con el fin de que los datos sean correctamente interpretados por la tarjeta. Se define como tensión máxima, el umbral máximo de temperatura permitida. Se hace uso de la ecuación [3.4] para calcular las resistencias necesarias para obtener la amplificación requerida. Con R 1 = 5600 Ω, V in = 0,785 V, V o = 3 V, se tiene: [3.9] De esta manera se obtiene que el valor de la resistencia R 2 debe ser 15,8 k Ω Opción 2: Control ON/OFF Un control ON/OFF es la forma más simple de control realimentado. Partiendo de que el sensor se encuentra funcionando constantemente, se propone implementar un controlador de este tipo, mediante el cual la celda Peltier sea activada solamente cuando se alcance un valor máximo de temperatura permitida, que este caso será 28 C. La celda termoeléctrica se mantendrá activa hasta llegar al valor mínimo de temperatura posible, que este caso serán 18 C. Después de realizar las pruebas que correspondan, se variará la temperatura mínima alcanzable, en caso de ser necesario. En la Figura se muestra el diagrama de bloques de este sistema del sistema de enfriamiento propuesto. 78

79 Figura Diagrama de bloques sistema de enfriamiento, opción ULN Relé, bloque (1) En la Figura se muestra el diseño de un sistema que utiliza el circuito integrado ULN2003 para activar un relé y que este active algún sistema. El ULN2003 es un circuito integrado monolítico que consta de siete pares de transistores Darlington NPN de alta tensión y capacidad de corriente. Se compone de diodos de fijación (cátodo común) para cada par Darlington NPN, lo que hace que este conductor sea útil para conmutar cargas inductivas. 79

80 ULN 2003 Figura Esquemático diseño control de temperatura ON/OFF (Arduino Forum, 2011) La Figura 3. 19, muestra la modificación al circuito de la Figura Al activarse el relé, se activa la celda Peltier, esto por medio de una señal que le envía el microcontrolador al 2003, al haberse sobrepasado el umbral de temperatura máxima. La Peltier se mantendrá activa (enfriando) hasta que el 2003 reciba una señal del microcontrolador, que le indique que se apague porque ya se alcanzó la temperatura mínima. En la Figura cuando el relé cambia de posición, inmediatamente conecta la alimentación a la Peltier (12 V), para conmutarla. 80

81 ULN 2003 Figura Sistema de control ON/OFF propuesto Refiérase al apartado de esta investigación, para la descripción de los bloques 2, 3 y 4 de la Figura 3. 17, los cuales son exactamente los mismos que los de la Figura Programación de la placa STM32F4 Discovery Funcionamiento del programa En esta sección se explicará el funcionamiento del programa a realizar para la STM32F4 lleve a cabo las tareas que le corresponden. Estas tareas se enlistan a continuación: El usuario debe tener la posibilidad de fijar un valor de corriente específico antes de iniciar el programa. Asimismo, debe tener la posibilidad de variar esta corriente en pleno funcionamiento. Se debe programar una rutina que permita utilizar el láser con un tiempo definido o sin este, a ser elegido por el usuario mediante el display. En el modo con tiempo, una vez que el usuario haya fijado el tiempo deseado, se mostrará una cuenta regresiva en el display en cuanto la llave de paso sea girada a su estado ON. Si el tiempo se vence y la llave sigue girada, la STM32F4 detiene funciones (láser se apaga) y aparecerá un mensaje en pantalla indicando que se gire la llave de nuevo ya sea para apagarla o para 81

82 reponerla a su estado ON y continuar con el funcionamiento. Es decir, el mecanismo para iniciar el sistema es la llave de paso. Para el caso del modo sin tiempo, se podrá utilizar el láser indefinidamente, hasta que se gire la llave de paso a su estado de OFF. La STM32F4 debe mantener una vigilancia constante sobre la llave de paso, de modo que para iniciar el sistema, se pedirá al usuario que gire la llave, para que la fuente de alimentación del diodo láser sea establecida. Si durante el funcionamiento del programa, la llave fue girada, la STM32F4 debe recibir la señal y con esto detener las funciones que se estén realizando. Durante el funcionamiento del sistema, debe desplegarse el valor de corriente deseado a través del diodo láser, así como la temperatura elegida y temperatura detectada constantemente. El programa a implementarse opera bajo un ciclo cerrado que solamente puede ser desactivado por las siguientes razones: o Si el tiempo se venció; o Si la llave fue girada; Para reestablecer el programa, es necesario girar la llave de paso, la cual informará a la tarjeta que ha sido girada. El ciclo bajo el que opera es un while, que a su vez, llama a las subrutinas de pantallas de menú cada vez que se esté en alguna. A su vez, el programa mantiene bajo estricta vigilancia la llave de paso y el tiempo, si es que se está trabajando con este modo. A su vez, cada vez que se cambie el interruptor de modo CW a PW, se deben establecer los valores previamente. En el caso del modo PW, se trabaja con un PWM que proporciona la tarjeta y de esta forma el usuario podrá ingresar el valor de corriente a controlar, así como la frecuencia en la que se desea trabajar. Tendrá para escoger en un rango entre 1 Hz y 10 Hz. La pantalla frecuencia no funciona si se está trabajando en modo CW y esta se debe configurar antes de girar la llave a su estado ON. 82

83 En la Figura se observa que los primeros pasos del while es saber en qué pantalla se está. La pantalla 0 corresponde a presentación, la pantalla 1 corresponde a modo de tiempo (definido o indefinido), la pantalla 2 corresponde a la temperatura detectada constantemente, la pantalla 3 corresponde a la configuración de la corriente deseada, la pantalla 4 corresponde a la configuración de frecuencia para modo PW y la pantalla 5 a la configuración de temperatura deseada. Una vez iniciado el programa, se inicializan las variables locales y globales y se invocan las subrutinas y librerías utilizadas. Hecho esto, pregunta en qué pantalla está. Cada pantalla posee una subrutina por separado, por lo que el while está constantemente saliendo y regresando al lazo. A continuación se hace una breve descripción de la subrutina de cada pantalla: Pantalla 0, subrutina Presentación Despliega presentación. Pantalla 1, subrutina Modo tiempo Si el láser está apagado, configura el tiempo con solo presionar DERECHA e IZQUIERDA. Si el láser está encendido, muestra el tiempo restante. Si se quiere trabaja en modo indefinido, solamente se presiona ABAJO para seguir con el menú. Pantalla 2, subrutina Temperatura Muestra temperatura mediante la siguiente fórmula: C = 0.025*ADC_temp [3.10] Pantalla 3, subrutina Corriente deseada Si el SW que escoge entre modo PW/CW se encuentra en cero, configura el modo continuo, es decir configura el DAC para inyectar corriente al circuito. 83

84 Si está en uno, pasa a configurar el modo PWM, que configura el porcentaje del ancho del pulso. Pantalla 4, subrutina Frecuencia: solo con select y el láser apagado Captura la frecuencia deseada por medio de la tecla SELECT. El usuario incremente la frecuencia y luego será necesario presionar SELECT para que quede configurada. Esto solamente se puede realizar con la llave de paso en OFF. Pantalla 5, subrutina Temperatura deseada Se establece la temperatura deseada. Una vez que el programa recorre las pantallas, pregunta si se está trabajando con tiempo definido y si el láser está encendido. De ser así, resta 1 s y pregunta si el tiempo se venció. En caso de ser así, apaga el láser y bloque la llave (porque quedará encendida) hasta que sea repuesta nuevamente. Si el tiempo no se ha vencido o si el tiempo es indefinido pregunta por la variable control_llave, la cual cumple la función de testigo para saber si la llave está encendida o apagada. Esta variable se hace necesaria puesto que la llave puede quedar en ON aun cuando el programa haya detenido funciones y se apagó el láser, la cual es necesaria reponer a su estado ON para reiniciar funciones. Finalmente, el programa pasa por una subrutina que consiste en tomar la información enviada por el interruptor para elegir la forma de controlarlo, ya sea por corriente o por fotodiodo. En este caso, el programa desplegará en pantalla si se está trabajando con fotodiodo un mensaje que dirá Sección con fotodiodo. Si se está controlando por corriente, el lazo entra a la pantalla 0 para realizar las configuraciones. El programa de lectura del teclado, el cual será necesario crear, detecta un nivel de tensión que es mapeado como un valor entre (puesto que se trabajará con 12 bits). El programa lo que realiza es una comparación entre estos valores cada vez que se presione un botón. Estos valores serán inicialmente acotados en un 84

85 intervalo reducido, puesto que no se cuenta con los valores de tensión específicos para cada botón. El programa debe devolver la información del botón que fue presionado y que serán definidos en el programa como DERECHA, IZQUIERDA, UP, DOWN y SELECT. Adicional al programa principal, se programarán las librerías LCD, DAC, ADC y PWM, para inicializar por aparte cada uno y así mantener siempre el orden del programa. Se utiliza el compilador GCC y el IDE CooCox, dado que los mismos son software libre, ideales para un proyecto de investigación sin presupuesto financiero. El lenguaje de programación a utilizar corresponde a C++. El código del programa completo, se adjunta en los anexos A, B, C, D y E de este informe. La asignación de patillas en la STM32F4 será la siguiente: Figura Diagrama de asignación de patillas de la STM32F4 85

86 Diagrama de flujo del programa principal Figura Diagrama de flujo programa principal 86

87 3.6. Sintonización de los controladores PID En esta sección se sintonizan los controladores PID que se utilizarán para la corriente y la temperatura. De esta manera se asegura una respuesta adecuada a cambios en el valor deseado o en las perturbaciones, además se asegura la estabilidad del sistema y su correcto funcionamiento. Se requiere un controlador que teóricamente no posea error a la salida y evitar problemas con el salto derivativo. Se escoge un controlador PI, el cual presenta la característica de ser más lento que un controlador PD o PID, sin embargo los tiempos de reacción del sistema son muy bajos, por lo que no toma importancia este hecho. En el proyecto Sistemas de gobierno para diodos láser con Tecnología Arduino y enfriamiento con Peltier, de Miranda, se proponen los controladores de temperatura y corriente. Por esta razón el diseño del controlador de corriente se basará en este diseño y se tomará el controlador para la temperatura, tal y como se propone en el estudio ya realizado Controlador de la corriente del diodo láser Cuando se iba a proceder a obtener la curva de respuesta de la planta, sucedieron cosas inesperadas, como el surgimiento de una señal de ruido que provenía de algún componente, que no dejaba a la planta comportarse como era debido. Fue hasta después de un tiempo el problema fue solucionado. Por lo anterior, se utiliza la curva de respuesta del sistema propuesta por Miranda, puesto que la planta (que en este caso representa el driver del diodo láser) presenta el mismo comportamiento. La única diferencia es que en este caso, la tensión de operación es de 3 V y no de 5 V. Esta curva corresponde al porcentaje del escalón de entrada con respecto al tiempo y se muestra en la Figura

88 Figura Curva de reacción del driver contra el modelo (Miranda, 2012) Esta curva se obtuvo registrando los valores de respuesta de la planta ante un escalón de 5 V. En el caso de la STM32F4, es necesario que el escalón de entrada al sistema fuese de 3 V, por lo que se procede a hacer los cambios necesarios al diseño del controlador para que así sea. Una vez obtenidos los valores, Miranda utilizó el programa de Matlab id123vc25e, facilitado por el profesor Víctor M. Alfaro, en el cual se utiliza el método 123c de Alfaro para identificar el modelo. Se escogió un modelo de POMTM, puesto que se asemeja bastante a la respuesta real del sistema. El modelo matemático, una vez ajustado a 3 V, está dado por: [3.11] Una vez con este modelo, se procede a sintonizar el controlador. Esto se realizará por el método de sintonización analítica, donde al variar un único parámetro de diseño es posible obtener diferentes respuestas para el 88

89 controlador ante un cambio en el valor deseado o perturbación (Miranda, 2012). Entonces, para un controlador PI se tiene que: [3.12] Se establece que. Entonces: [3.13] Luego, la constante de tiempo integral viene dada por: [3.14] Finalmente se obtiene le controlador estándar del driver: ( ) [3.15] Estos parámetros corresponden a la definición de un controlador estándar, sin embargo, es necesario convertirlos a su equivalente en paralelo, debido a que en la librería PID del microcontrolador viene definido como paralelo. [3.16] [3.17] 89

90 Finalmente, la ecuación para el controlador paralelo del driver viene dado por: [3.18] Controlador de la temperatura En este apartado, se hará uso también del controlador diseñado por Miranda en su proyecto Sistemas de gobierno para diodos láser con Tecnología Arduino y enfriamiento con Peltier. Al igual que para el driver del diodo láser, para el controlador de temperatura es necesario crear la curva estática que modela el funcionamiento de la celda Peltier. Para la creación de esta curva, se inició con una tensión a la entrada del transistor de paso de 0 V y luego se procedió a aumentar esta en pasos de 100 mv, observando que los cambios en la corriente que trasegaba este no fueran muy altos para que el cambio en la temperatura de un punto a otro no fuera muy alto. (Miranda, 2012) En la se muestra la salida del controlador contra la salida de la tensión del sensor de temperatura (salida del proceso). 90

91 Figura Celda estática de la celda Peltier (Miranda, 2012) Se observa que sistema posee una ganancia variable, además de que el ámbito en el que los valores del controlador cambian sin que la respuesta del proceso llegue a su valor máximo es muy pequeño. Para realizar la prueba se escogió un punto de operación donde alrededor de este se mantenga la linealidad en la curva estática, por lo que se lleva al controlador un valor 18% de su salida máxima y se realiza un escalón hasta un valor de un 26%, dado que para estos valores la temperatura de la Peltier es baja y además se mantiene la linealidad en la ganancia, de esta manera asegurando realizar una prueba correcta. Es importante señalar que esta prueba fue realizada cubriendo el conjunto celda Peltier, disipador y diodo láser con una caja de styrofoam, esto con el fin de aislar el sistema de variaciones de temperatura que provengan de fuentes caloríficas externas. (Miranda, 2012) Después de graficar la curva de reacción de este sistema, se procedió a obtener el modelo de la planta que mejor se ajusta a su comportamiento. En este caso, se escogió un POMTM. Utilizando las ecuaciones antes descritas, se obtiene que: [3.19] 91

92 Seguidamente se realiza una simulación de la planta real con respecto al modelo. Hay que aclarar que dado que el tiempo muerto en muy pequeño comparado con la constante de tiempo de la planta, por recomendación del profesor Víctor Alfaro, se toma este tiempo y se le suma a la constante de tiempo, esto con el fin de tratar con una planta de primer orden pura. Entonces, al realizar la simulación de la planta contra el modelo, se observa en la Figura como el modelo es bastante cercano y se comporta tal como la planta que se está tratando. (Miranda, 2012) Figura Curva de reacción de la planta (temperatura) contra el modelo (Miranda,2012) Con las ecuaciones [3.12], [3.13] y [3.14] y para un, se obtienen los valores de K p y T i, los cuales se muestran en la siguiente ecuación, que es la ecuación resultante del controlador estándar PI diseñado por Miranda: ( ) [3.20] 92

93 Convirtiéndolo a un controlador paralelo, resulta: [3.21] 93

94 Capítulo 4 4. Resultados El objetivo general del proyecto es desarrollar un prototipo de bajo costo de un sistema de gobierno para diodos láser con microcontroladores STM32F4 y enfriamiento con Peltier. El STM32F4 es una tarjeta muy novedosa que por sí misma, estableció retos importantes para su conocimiento, para su disposición en el diseño y para la programación del mismo. Para poder implementar el controlador, se debió construir un andamiaje alrededor del STM32F4 que consumió tiempo y recursos necesarios para poder reutilizar partes no naturalmente compatibles con ella. Por ejemplo, en el desarrollo del proyecto se debió usar un shield con un teclado y una pantalla de despliegue, diseñado para Arduino, mismo que debió ajustarse desarrollando las rutinas I/O y estableciendo las pruebas para que pudiera operar en una STM32F4. Con este y otros antecedentes que exigieron una importante dedicación y foco sobre los asuntos electrónicos del controlador, el proyecto resulta en la concatenación de dos etapas que lo componen: 1. Desarrollo de la circuitería electrónica y la programática operativa del controlador (Fases 1, 2 y 3 de la metodología) 2. Implementación de la funcionalidad del controlador (Fases 1, 4 y 5 de la metodología) 94

95 En términos generales, por ser el STM32F4 tan novedoso, se experimentaron limitaciones en la disponibilidad de hardware colateral al STM, se evidenciaron carencias de experticia publicada en medios como Internet y por lo tanto, se debió establecer una sobre-investigación y experimentación de sus capacidades, librerías, experiencias comparativas, desarrollos colaterales que llevaron al proyecto a dedicar la mayor parte del tiempo disponible y gastar el mismo y por tanto- sus resultados básicamente orientados al sub proyecto de desarrollo de la circuitería electrónica y la programática operativa del controlador, no así en la programática funcional del mismo. No obstante tal complejidad de la primera etapa, se logró como resultado derivado de una fase del desarrollo del proyecto, alcanzar el objetivo general y parcialmente del quinto objetivo específico. Se logró obtener y verificar el funcionamiento de un controlador ON/OFF para el enfriamiento del diodo laser usando un dispositivo Peltier. Por las causas indicadas de previo, el gobierno de la corriente que alimenta el diodo láser fue parcialmente alcanzado. 4.1 Resultados y logros obtenidos en la etapa 1: Desarrollo de la circuitería electrónica y la programática operativa del controlador a. Resultados y hallazgos obtenidos en la fase 1: Investigación Inicialmente, el desarrollo se conceptualizó para usar la plataforma compuesta por compilador e IDE denominada Keil. La misma fue cambiada por el compilador GCC y el IDE CooCox dado que los mismos son software abierto y libre, ideales para un proyecto de investigación sin presupuesto financiero. Se halló que sobre implementaciones de controladores PID al día de hoy-, se ha generado muy poca experticia documentada en Internet. Fue habitual encontrar foros en los que se requería soporte de ejemplos de uso infructuoso de rutinas DSP para ser usados como controles PID. 95

96 En términos generales, la investigación de las experiencias, ejemplos de uso del STM32F4 y sus múltiples posibilidades, fue ardua pero de escasos hallazgos, dado que tal dispositivo es de última tecnología (Oct 2011), notándose que no se logró encontrar suficientes aportes bibliográficos ni la suficiente experticia en comparación con plataformas más antiguos tales como lo es Arduino o Raspberry Pi. Entre los hallazgos del STM, se logró determinar los mecanismos, entender el uso para la programación de la configuración de puertos, los convertidores ADC y DAC, la utilización del LCD y el PWM. b. Resultados y hallazgos obtenidos en la fase 2: Disposición de elementos y diseño preliminar del entorno electrónico Se comprobó que dado la complejidad del microcontrolador, fue posible una reducción notable de la circuitería externa. El STM32F4 incorpora convertidores DAC y DCA como también, incluye los elementos necesarios para implementar el PWM Respecto a la referencia de proyectos previos de controladores basados en micro controladores, se rediseñaron y depuraron las etapas electrónicas para que estas trabajaran con tensiones de 3 V y no de 5 V c. Resultados y hallazgos obtenidos en la fase 3: Puesta en marcha del conjunto electrónica - programa del proyecto Si bien es cierto las herramientas libres usadas tal como el GCC brinda una importante cantidad de rutinas y librerías, el desarrollo de un controlador como el pretendido requiere desarrollar rutinas específicas para resolver asuntos específicos tales como las conversiones de binario a decimal, entre otras. Se comprueba la conveniencia de las herramientas y circuitería del STM32F4 -entre tales-, el uso de los temporizadores que fueron un 96

97 insumo para implementar el modo PWM y controlar la corriente del diodo láser. 4.2 Resultados y logros obtenidos en la etapa 2: Implementación de la funcionalidad del controlador Se logró que el sistema de control funcionara en dos modos de operación: onda continua (CW) y onda pulsante (PW). El mismo, puede ser escogido por el usuario por medio de un interruptor. Se logró establecer el valor de corriente que el usuario fije en el diodo láser, por medio de la STM32F4. Se implementó un control a lazo abierto para tal fin. Se logró que el sistema modificara la corriente que trasiega el diodo láser en pleno funcionamiento, en cualquier momento que el usuario lo necesite, sin necesidad de apagar el sistema. Se logró que el sistema de gobierno controle el valor de la temperatura que el diodo láser presente, con el fin de evitar daños a causa de altas temperaturas que este pueda alcanzar durante su funcionamiento. El sistema presenta la opción para trabajar con un modo de tiempo definido y otro indefinido, el cual el usuario escoge por medio del menú que se presenta en el display. El modo de tiempo definido se logra con una rutina de pérdida de tiempo en el programa principal. El sistema de control muestra por medio de la interfaz de usuario, la corriente deseada a trasegar por el diodo láser, el tiempo restante si es que se trabaja con modo de tiempo definido, la temperatura, y la frecuencia de operación, si es que se trabaja en modo PW. Se logró que el sistema funcionara con un interruptor que permite elegir la forma de controlar la corriente del diodo láser, ya sea por medio del lazo de realimentación o bien por medio de un fotodiodo, el cual captura la potencia de emisión del rayo láser y envía esta información a la STM32F4. Este método no se desarrollará, solamente se propondrá un diseño en caso de que se utilice el fotodiodo. Asimismo, se colocará el interruptor físico, sin embargo solo se mostrará en pantalla si se ha escogido la opción del control con fotodiodo. 97

98 4.3 Resultados obtenidos experimentalmente Modo de funcionamiento PWM La siguiente ecuación describe el ciclo de trabajo del funcionamiento del modo PWM. [4.1] Donde D es el ciclo de trabajo de la onda, la onda y T es el periodo. representa el tiempo en alto de Para la aplicación de este proyecto, se relaciona el periodo de la onda cuadrada con la frecuencia que el usuario escoge y el tiempo en alto con la corriente que se escoge. Entonces, fue necesario realizar una correspondencia entre la corriente, el ciclo de trabajo y la tensión de salida de la placa. Esta relación se muestra en la Tabla Tabla 4. 1 Relación corriente, tensión, ciclo de trabajo Corriente Tensión % ciclo de trabajo , , , , , , , , , , , , , , , , ,

99 900 2, , A cada uno de estos valores de tensión, se le asigna un valor de tensión de DAC. Con ayuda del osciloscopio, se obtuvo una captura de la onda de salida de la STM32F4, en la cual se encuentra operando a 2 Hz y al 50% del ciclo de trabajo, es decir, con 500 ma. Se observa que la tensión pico-pico corresponde a 3,1 V y según la Tabla 4. 1, la tensión promedio correspondiente es de 1,5 V. Con esto se comprueba el correcto funcionamiento de la opción PWM que ofrece la tarjeta. Figura 4. 1 Salida STM32F4 modo PWM En este modo de funcionamiento se logra controlar la corriente, llegando a un máximo de 970 ma en el diodo Modo de funcionamiento continuo En este modo de funcionamiento, la corriente máxima que pasa por la resistencia R shunt, que se obtuvo fue de 970 ma, correspondientes a la 99

100 máxima tensión de diseño, en este caso a los 3 V. Esto se debe a que no se implementó el control de la corriente, solamente la regulación de la misma. Si se hubiese implementado el PID, mediante el lazo realimentado se repone el valor deseado. De esta forma se hubiesen obtenido los 1000 ma en el diodo. Cuando se establece un valor de 500 ma en el diodo, la lectura real de la corriente es de 478 ma, cuando se establece un valor de 800 ma, la lectura real es de 763 ma y cuando se establece un valor de 350 ma, se obtiene una lectura real de 337 ma. Por esto se dice que en este modo de funcionamiento, se logra controlar la corriente tal que el valor de corriente real presenta un porcentaje de error con respecto al valor real del 4,2 %, haciendo un promedio entre los tres porcentajes de error en las mediciones. A continuación se presenta una gráfica de la salida del DAC encargado de establecer el valor de corriente en el diodo. En esta captura del osciloscopio, la corriente establecida es de 850 ma. Figura 4. 2 Salida STM32F4 modo CW Con esto se comprueba el correcto funcionamiento del modo continuo. 100

101 4.3.3 Corriente Se logró implementar un controlador de corriente a lazo abierto, mediante el cual se establece un valor de corriente deseado en el diodo láser. Como mecanismo de protección, se implementó un sistema realimentado de análisis de corriente en el cual se muestrea constantemente para verificar que la corriente no supere un umbral máximo establecido, que en este caso es 1 A. En caso de superarse este umbral, el sistema apaga el láser, bloquea la llave y envía un mensaje de error a través de la pantalla. No se logró implementar el control de corriente a lazo cerrado (control PI) puesto que el tiempo no fue suficiente para cubrir toda la investigación que esto requería, en cuanto a utilización de la librería PI. Sin embargo, se cuenta con esta librería y con la sintonización del controlador requerido, por lo que sería posible implementarlo Temperatura Para asegurar una lectura certera del sensor de temperatura, se realizó una tabla de lecturas reales. Esto se realizó utilizando agua con hielo y agua caliente para obtener las temperaturas más altas y más bajas. Se utilizó un termómetro de alta precisión La tabla que se muestra a continuación es la que se obtuvo después de realizadas todas las mediciones: Tabla 4. 2 Mediciones reales sensor y salida del amplificador C Salida sensor Salida amplificador 10 0,202 0, ,228 0, ,232 0, ,244 0, ,254 0, ,255 0, ,258 0, ,259 0, ,269 0, ,283 0, ,288 0, ,290 0,

102 22 0,297 0, ,303 0, ,313 0, ,327 0, ,330 0, ,342 1, ,343 1, ,344 1, ,360 1, ,365 1, ,368 1, ,378 1, ,382 1, ,398 1, ,409 1, ,411 1, ,423 1, ,426 1, ,428 1, ,436 1, ,434 1, ,438 1, ,442 1,329 Una vez obtenido esto, se sabe que a la salida del amplificador debe ser tres veces la lectura del sensor. Por lo tanto, la ecuación que despliega C a partir de las lecturas de la salida del amplificador es: [4.2] Entonces, en caso de darse alguna condición extrema ya sea por exceso temperatura o exceso de corriente, el sistema responde apagando el láser, bloqueando la llave y enviando un mensaje de error. 102

103 Capítulo 5 5. Conclusiones y recomendaciones A continuación se enlistan las conclusiones generales del proyecto: Se diseñó un sistema de control de corriente y dos sistemas de control de temperatura. Se implementó un prototipo de bajo costo para el control de la temperatura, tipo ON/OFF, correspondiente a la opción 2 de enfriamiento, por lo que no se utilizó la 5 pantalla del menú y quedó la programación lista, con su respectiva documentación. Se logró controlar la corriente que pasa a través del diodo láser, por medio de un controlador a lazo abierto, en ambos modos de funcionamiento, PW (utilizando la herramienta de PWM) y CW. Sin embargo, el sistema cuenta con una línea de realimentación hacia la tarjeta STM32F4, que cumple la función de informarle a la tarjeta cuánta corriente está pasando por el diodo láser. En caso de sobrepasarse la corriente máxima de diseño (1 A), se apagar el sistema. No se logró implementar el control de corriente a lazo cerrado (control PI) puesto que el tiempo no fue suficiente para cubrir toda la investigación que esto requería, en cuanto a utilización de la librería PI. Sin embargo, se cuenta con esta librería y con la sintonización del controlador requerido, por lo que sería posible implementarlo. Se diseñó y corroboró el correcto funcionamiento de las etapas analógicas, necesarias para llevar a cabo el control sobre el diodo y la temperatura del mismo. 103

104 Se investigó sobre sistemas de gobierno comerciales y caseros (con microcontroladores STM32F4) que permitan controlar de manera adecuada la corriente de un diodo láser, encontrando que en Internet no se encuentra referencia alguna sobre una aplicación como esta. Se encuentran aplicaciones de control para motores, mayoritariamente. Se describieron las características de los microcontroladores STM32F4 y se contrastaron con otras plataformas de bajo costo como el Arduino y el Raspberry Pi. Se resumió la teoría relacionada con la transferencia de calor entre un diodo láser y el exterior, y una celda Peltier y el exterior. Se propuso un modelo de disipación de calor adecuado, de un sistema formado por un diodo láser y una celda Peltier. Se diseñó un diagrama de bloques independiente, para trabajar con diodos de dos o tres patillas. Se estudió la viabilidad del control con software libre. Se lograron los requerimientos que debía tener el sistema, tales como: modo de operación PW y CW, funcionamiento con tiempo definido o indefinido, modificación de la corriente en pleno funcionamiento del láser, establecimiento de un valor de corriente previo, lectura constante del sensor de temperatura, utilizar adecuadamente la interfaz de usuario. Se logró acoplar correctamente el shield utilizado al microcontrolador STM32F4. Se eliminaron etapas analógicas con respecto al control implementado por Miranda en su proyecto. Esto debido a que la STM32F4 presenta muchísimas ventajas a nivel programático y de utilización, con respecto al Arduino. La ventaja principal que presenta el control ON/OFF es que es de bajo costo además de ser la opción más eficiente, en este caso específico. La desventaja principal es que no es un controlador preciso, puesto que no cuenta con las constantes de tiempo del sistema a controlar para sintonizar el control adecuado. El control PID presenta como ventaja primordial el hecho de que procura un error cero a la salida, es más estable y existe menos probabilidad de error. Sin 104

105 embargo, según el proyecto que se utilizó de referencia (proyecto realizado por Rodrigo Miranda, 2012), este método no controla correctamente la temperatura, por razones de sobrecalentamiento en el transistor de paso, lo que produce un mal funcionamiento del dispositivo termoeléctrico. Como se mencionó en los resultados, el proyecto se dividió en dos etapas básicas. El primer alcance fue cumplido satisfactoriamente, sin embargo el segundo alcance fue logrado parcialmente, debido al tiempo invertido en obtener y satisfacer las carencias informativas de una tecnología tan nueva y por obtener la nivelación necesaria y autoaprendizaje en temas de programación de la plataforma STM32F4, específicamente en el tema de la librería PID. Como conclusión de aprendizaje, es importante notar que los proyectos que se desarrollen alrededor de tecnología muy novedosa, requieren una amplia investigación toda vez que la base documental existente, las experiencias de otros ingenieros y la disponibilidad de información en general, es muy dispersa y es poca. Asimismo, es importante señalar que el fundamento académico de proyectos en los cuales se implementen funciones complejas que involucren sistemas de control basados en microcontroladores, requieren al menos una inducción básica en temas de sistemas en tiempo discreto y en programación de plataformas de software libre. Con tales elementos, el tiempo pudo ser óptimo y el proyecto pudiese haberse cumplido en todos sus alcances en el periodo de un semestre. A continuación se enlistan las recomendaciones generales del proyecto: En cuanto a la llave de paso conectada entre diodo y su fuente de alimentación, se recomienda implementar un relé enclavado, en serie con la llave. Esto funciona como método de protección al diodo láser. En caso de que no se gire la llave al finalizar la utilización del láser y mientras el programa corre, se puede recibir una señal errónea en la corriente. Es decir, si la llave quedó girada al final, el momento en el que se energiza la fuente, se puede quemar el diodo 105

106 debido a algún pico de corriente que se pueda presentar. La configuración recomendada se muestra en la Figura Figura 5. 1 Configuración recomendada llave de paso Se recomienda realizar el sistema en una PCB para evitar problemas relacionados con malas referencias, falsos contactos y elementos básicos distractores del objetivo fundamental. El máximo valor de corriente máximo que una tarjeta de pruebas soporta, es 1 A, por lo que se recomienda soldar las partes o bien, realizar el sistema en una PCB. En caso de utilizar una tarjeta de pruebas, se recomienda armar las etapas de potencia, separadas de la demás circuitería. Para el sistema de control ON/OFF de temperatura, se recomienda utilizar un transistor en el lugar del relé, esto para evadir la utilización de elementos mecánicos que eventualmente pueden fallar y que pueden adicionar un factor de error en el sistema. 106

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