Control Arduino: Sistema Temperatura para Arduino

El mundo de la automatización y el control está a nuestro alrededor, desde el termostato de tu casa hasta los sistemas complejos que operan plantas industriales. Estos sistemas funcionan gracias a la implementación de bucles de control que buscan mantener una variable en un valor deseado. En esencia, un bucle de control es un proceso cíclico de medición, comparación y ajuste. Comprender cómo funcionan estos bucles es crucial para diseñar sistemas automatizados eficientes y precisos. El control arduino se ha convertido en una forma accesible y económica de experimentar con este fascinante campo.

Este artículo se enfoca en la introducción de la idea de un control arduino, desglosando los componentes clave y demostrando cómo Arduino puede ser usado para implementar estrategias de control básicas, específicamente el control On-Off. Vamos a explorar cada etapa del proceso, desde la medición de una variable física (por ejemplo, la temperatura) hasta la generación de una señal para accionar un dispositivo (un actuador), como un ventilador o una resistencia. A través de ejemplos concretos y explicaciones detalladas, te guiaremos en tu primer acercamiento al mundo de los sistemas de control.

¿Qué es un Lazo de Control Realimentado?

Un lazo de control realimentado, también conocido como bucle cerrado, es el corazón de la automatización. Imagina que quieres mantener la temperatura de una pecera a 25 grados Celsius. Un sistema de control simple podría funcionar así: un sensor de temperatura mide la temperatura del agua, un controlador compara esa temperatura con el valor deseado (25°C), y si la temperatura es demasiado baja, enciende un calentador. La clave aquí es que el sistema «realimenta» la temperatura medida al controlador para que pueda tomar decisiones informadas.

Este ciclo de medición, comparación y acción es fundamental para el funcionamiento de casi todos los sistemas de control de temperatura con arduino y otros sistemas automatizados. Si no tuviéramos la realimentación, estaríamos trabajando con un sistema de control abierto, que sería mucho menos preciso y confiable. Un sistema de control abierto, en contraste, no tiene una manera de saber si la acción que está tomando está teniendo el efecto deseado. Por ejemplo, un simple temporizador que enciende un calentador durante un período fijo no es un sistema de control realimentado, ya que no considera la temperatura real del agua.

La realimentación permite que el sis

Un lazo de control realimentado, también conocido como bucle cerrado, es el corazón de la automatización. Imagina que quieres mantener la temperatura de una pecera a 25 grados Celsius. Un sistema de control simple podría funcionar así: un sensor de temperatura mide la temperatura del agua, un controlador compara esa temperatura con el valor deseado (25°C), y si la temperatura es demasiado baja, enciende un calentador. La clave aquí es que el sistema «realimenta» la temperatura medida al controlador para que pueda tomar decisiones informadas.

Este ciclo de medición, comparación y acción es fundamental para el funcionamiento de casi todos los sistemas de control de temperatura con arduino y otros sistemas automatizados. Si no tuviéramos la realimentación, estaríamos trabajando con un sistema de control abierto, que sería mucho menos preciso y confiable. Un sistema de control abierto, en contraste, no tiene una manera de saber si la acción que está tomando está teniendo el efecto deseado. Por ejemplo, un simple temporizador que enciende un calentador durante un período fijo no es un sistema de control realimentado, ya que no considera la temperatura real del agua.

La realimentación permite que el sistema se adapte a las variaciones en el proceso o en el entorno. Digamos que la temperatura ambiente baja repentinamente. Un sistema de control realimentado detectaría la disminución de la temperatura y ajustaría la acción correctiva (encendiendo el calentador durante más tiempo) para mantener la temperatura del agua en los 25°C. Sin esta retroalimentación, la temperatura del agua caería significativamente.

La elección del tipo de sensor también es crucial en un lazo de control realimentado. Necesitamos un sensor que sea preciso, confiable y responda rápidamente a los cambios en la variable que estamos midiendo. En el ejemplo de la pecera, un termistor podría ser un buen sensor, ya que es relativamente barato y sensible a los cambios de temperatura. Sin embargo, es importante elegir un sensor que sea adecuado para el rango de temperatura que estamos midiendo y que tenga suficiente resolución para detectar cambios sutiles.

Leds, PWM, Arduino: Potenciómetro, Código y Control

Componentes de un Sistema de Control

Un sistema de control, sin importar su complejidad, está compuesto por componentes fundamentales. Entender estos componentes nos ayuda a desglosar el proceso de control para arduino y a diseñar sistemas más eficientes.

1. Sensor: El sensor es el dispositivo que mide la variable que queremos controlar, la Variable de Proceso (PV). En nuestro ejemplo de la pecera, el sensor es un termistor que mide la temperatura del agua. La señal que produce el sensor es típicamente una señal eléctrica, pero podría ser también una señal mecánica o óptica.
2. Controlador: El controlador es el «cerebro» del sistema. Recibe la señal del sensor, la compara con la referencia (el valor deseado), y genera una señal para el actuador. En este caso, el Arduino actúa como el controlador. El control arduino implica escribir código que realice estas funciones.
3. Actuador: El actuadero es el dispositivo que realiza la acción correctiva para modificar la variable de proceso. En el ejemplo de la pecera, el calentador es el actuador. El actuador recibe la señal del controlador y ajusta su acción en consecuencia.
4. Variable de Proceso (PV): Es la variable que estamos controlando, la que se mide por el sensor (ejemplo: temperatura).
5. Valor de Referencia (SP) o Set Point: Es el valor deseado para la variable de proceso. Es el objetivo que el sistema de control intenta alcanzar (ejemplo: 25°C).
6. Variable Manipulada (MV): Es la señal que el controlador envía al actuador, la que modifica directamente el proceso. En el ejemplo de la pecera, la MV sería la duración del encendido del calentador.

La relación entre estos componentes es crucial. La calidad de la medición (sensor), la precisión del cálculo (controlador) y la eficiencia de la acción (actuador) determinan la efectividad del sistema de control.

El Control On-Off: Una Estrategia Simple

El control On-Off es la estrategia de control más sencilla y se utiliza en muchas aplicaciones donde la precisión extrema no es esencial. El principio es simple: si la variable de proceso es menor que el valor de referencia, se enciende el actuador; si es mayor, se apaga. Imagina un termostato en tu casa: si la temperatura es menor a la deseada, el calentador se enciende; si es mayor, se apaga.

En un sistema de control de temperatura con arduino utilizando control On-Off, podríamos definir un valor de referencia de 25°C. Si la temperatura medida por el termistor es inferior a 24°C, el Arduino enciende un relé que a su vez enciende el calentador. Si la temperatura medida es superior a 26°C, el Arduino apaga el relé, apagando el calentador.

La principal desventaja del control On-Off es que resulta en oscilaciones alrededor del valor de referencia. Como el sistema alterna rápidamente entre encendido y apagado, la variable de proceso nunca se estabiliza exactamente en el valor deseado. Esto se debe a que el sistema sobrepasa el valor de referencia antes de cambiar de estado. La magnitud de estas oscilaciones depende del tiempo de respuesta del actuador y del tiempo de respuesta del sensor.

A pesar de esta desventaja, el control On-Off es una buena opción para aplicaciones donde el costo y la complejidad son factores importantes. Es fácil de implementar y requiere un mínimo de recursos computacionales. Además, es una excelente manera de entender los principios básicos del control y sirve como base para estrategias de control más avanzadas. La simplicidad del control para arduino con control On-Off lo hace ideal para principiantes.

Implementación Práctica con Arduino

Ahora veamos como podemos implementar este control On-Off utilizando un Arduino. Para esto, vamos a simular la temperatura utilizando un potenciómetro y un LED para representar el calentador.

Materiales:

• Arduino Uno
• Potenciómetro (10kΩ)
• LED
• Resistencia (220Ω)
• Cables de conexión

Conexiones:

Leds, PWM, Arduino: Potenciómetro, Código y Control

Interrupcion Arduino: attachInterrupt, Timer y pines INT

• Conectar el pin central del potenciómento a una entrada analógica del Arduino (ejemplo, A0).
• Conectar un pin de tierra del potenciométro a tierra del Arduino.
• Conectar los extremos del potenciómetro a 5V y tierra del Arduino.
• Conectar la resistencia en serie con el LED.
• Conectar el ánodo del LED (lado más largo) a la resistencia.
• Conectar el otro extremo de la resistencia a una salida digital del Arduino (ejemplo, pin 9).
• Conectar el cátodo del LED (lado más corto) a tierra del Arduino.

Código Arduino:

«`arduino
// Define los pines
const int sensorPin = A0; // Pin del sensor (potenciómetro)
const int ledPin = 9; // Pin del LED

// Define el valor de referencia (set point)
const int temperaturaSetPoint = 128; // Corregir el valor del set point según el rango del potenciómetro

void setup() {
// Inicializa la comunicación serial
Serial.begin(9600);
// Define el pin del LED como salida
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
// Lee el valor del sensor
int sensorValue = analogRead(sensorPin);

// Imprime el valor del sensor en el monitor serial
Serial.print(«Valor del sensor: «);
Serial.println(sensorValue);

// Decide si encender o apagar el LED
if (sensorValue < temperaturaSetPoint) {
digitalWrite(ledPin, LOW); //Apaga el LED
} else {
digitalWrite(ledPin, HIGH); //Enciende el LED
}

// Introduce un retardo para evitar lecturas demasiado rápidas
delay(100);
}
«`

Explicación del Código:

Leds, PWM, Arduino: Potenciómetro, Código y Control

Interrupcion Arduino: attachInterrupt, Timer y pines INT

Arduino desde cero con Arduino IDE manual: Multitareas

• sensorPin: Define el pin analógico conectado al potenciómetro.
• ledPin: Define el pin digital conectado al LED.
• temperaturaSetPoint: Define el valor de referencia para la temperatura. Este valor debe ser ajustado según el rango de valores que devuelve el potenciómetro.
• setup(): Inicializa la comunicación serial y define el pin del LED como salida.
• loop(): Lee el valor del potenciómetro, lo imprime en el monitor serial, y decide si encender o apagar el LED.

Uso:

1. Carga el código en tu Arduino.
2. Abre el monitor serial en el IDE de Arduino.
3. Gira la perilla del potenciómetro. Observa cómo el LED se enciende y se apaga según el valor del potenciómetro y el valor de referencia. Modifica el valor de temperaturaSetPoint para ajustar el punto de conmutación.

Esta es una implementación básica. Para una aplicación real, necesitarías un sensor de temperatura más preciso y un actuador más adecuado, como un relé para controlar un calentador o un aire acondicionado.

Mejorando la Estabilidad: Retardo de Histéresis

La oscilación causada por el control On-Off puede mitigarse introduciendo un retardo de histéresis. La histéresis significa que el valor de referencia para activar el actuador es diferente al valor de referencia para desactivarlo.

Por ejemplo, podríamos definir un punto de encendido de 24°C y un punto de apagado de 26°C. Esto significa que el calentador se encenderá cuando la temperatura caiga por debajo de 24°C y se apagará cuando la temperatura supere 26°C. Esto crea una banda de histéresis de 2°C.

El código Arduino para implementar la histéresis sería el siguiente:

«`arduino
// Define los pines
const int sensorPin = A0; // Pin del sensor (potenciómetro)
const int ledPin = 9; // Pin del LED

// Define los valores de referencia con histéresis
const int temperaturaSetPointEncendido = 24; // Corregir el valor del set point según el rango del potenciómetro
const int temperaturaSetPointApagado = 26; // Corregir el valor del set point según el rango del potenciómetro

void setup() {
// Inicializa la comunicación serial
Serial.begin(9600);
// Define el pin del LED como salida
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
// Lee el valor del sensor
int sensorValue = analogRead(sensorPin);

Leds, PWM, Arduino: Potenciómetro, Código y Control

Interrupcion Arduino: attachInterrupt, Timer y pines INT

Arduino desde cero con Arduino IDE manual: Multitareas

Advanced Arduino: Reprogramando el Bootloader de UNO

// Imprime el valor del sensor en el monitor serial
Serial.print(«Valor del sensor: «);
Serial.println(sensorValue);

// Decide si encender o apagar el LED
if (sensorValue < temperaturaSetPointEncendido) {
digitalWrite(ledPin, HIGH); //Enciende el LED
} else if (sensorValue > temperaturaSetPointApagado) {
digitalWrite(ledPin, LOW); //Apaga el LED
}
// Introduce un retardo para evitar lecturas demasiado rápidas
delay(100);
}
«`

Este código reduce la frecuencia de conmutación, haciendo que el sistema sea más estable. La banda de histéresis (la diferencia entre los puntos de encendido y apagado) puede ser ajustada para optimizar el rendimiento del sistema.