DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

NRC:3687 – INSTRUMENTACIÓN Y SENSOSRES

PROYECTO FINAL
TEMA: BALANZA DIGITAL

INTEGRANTES:

BRYAN SARAVIA
Luis Mediavilla

DOCENTE:
ING. FLAVIO PINEDA

FECHA:
19 DE AGOSTO DE 2017
Tabla de contenido

TEMA ..................................................................................................................................3
OBJETIVO ............................................................................................................................3
MATERIALES ........................................................................................................................3
MARCO TEÓRICO .................................................................................................................3
DISEÑO DE LA BALANZA .......................................................................................................8
DIAGRAMA GENERAL ...................................................................................................................... 8
DISEÑO DEL CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO .......................................................................................... 8
Requerimientos ..................................................................................................................... 8
DISEÑO DEL CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO INICIAL ............................................................................... 9
Requerimientos ..................................................................................................................... 9
DISEÑO DEL CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO FINAL ............................................................................... 10
Requerimientos ................................................................................................................... 10
Diseño del circuito de conversión de voltaje a corriente .................................................... 11
Diseño del circuito de conversión de corriente a voltaje .................................................... 12
Diseño de acoplamiento adicional 0-5V ............................................................................. 12
Visualización ....................................................................................................................... 13
SIMULACIÓN DEL CIRCUITO MEJORADO ............................................................................. 16
PROCEDIMIENTO ............................................................................................................... 16
TABLA DE RESULTADOS ..................................................................................................... 16
ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................. 17
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................. 17
CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 17
RECOMENDACIONES .................................................................................................................... 17
BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................... 17
Tema
Balanza Digital

Objetivo
Diseñar e implementar una balanza digital que permita medir el peso de masas desde 0g
a 140g empleando las galgas extensiométricas de laboratorio y presentando los
resultados en un display.

Materiales

 Módulo DTS-3/2 (Degem System)

 Pesas del laboratorio de 10g

Marco teórico
BALANZA DIGITAL

1. El objeto a ser pesado que se coloca sobre el platillo de pesaje ejerce una presión que está
distribuida de forma aleatoria sobre la superficie del platillo. De allí, mediante un
mecanismo de transferencia palancas, apoyos, guías, se concentra la carga del peso en una
fuerza simple [F] que puede ser medida. [F = Pa] La integral de la presión sobre el área
permite calcular la fuerza.
2. Un transductor de medida, conocido con el nombre de celda de carga, produce una señal de
salida proporcional a la fuerza de carga, en forma de cambios en el voltaje o de frecuencia.
3. Un circuito electrónico análogo digital que finalmente presenta el resultado del pesaje en
forma digital.
Balanza digital con galgas metálicas
Son instrumentos de pesaje de funcionamiento no automático que utilizan la acción de
la gravedad aplicada a una galga metálica, para determinación de la masa. Se compone
de un único receptor de carga (plato) donde se deposita el objeto para medir. Una célula
de carga de carga mide la masa a partir de la fuerza (peso) ejercida por el cuerpo sobre
el receptor de carga. El resultado de esa medición (indicación) aparecerá reflejado en un
dispositivo indicador LCD.

Para su fabricación se emplean diversos conductores metálicos, como las aleaciones

constantán, karma, nicrom, y aleaciones de platino. Pueden ser de:
- Hilo metálico: Básicamente están formadas por un conductor metálico de sección
circular, soportado por una fina Iámina de material aislante. Por lo que se refiere al
conductor, los materiales más empleados son el constantan, aleación de cobre (55 %) y
níquel (45 %); y el nicrom, aleación de Ni (80 %) y Cr (20 %), que ofrece un mayor
margen de compensación de temperatura.
- Película metálica: Basadas en la tecnología de trama peculiar. Esta consiste en una
pelić ula de metal de 20-30 micras de grosor, realizada con los mismos procesos de
fabricación de los circuitos impresos. Sus ventajas respecto a las galgas de filamento
son las siguientes:

• Optimización del diseño de la galga y reducción dimensional.

• Mayor superficie de evacuación térmica.
• Reducción del error debido a la distancia elemento sensor-galga.

En general, las galgas metálicas ofrecen una resistencia eléctrica de entre 100- 5000
ohm y un factor de galga K que varía de 2 a 4, los valores más encontrados
comercialmente son resistencias de R = (120 , 135 , 600 ...) ±0,1%
Aplicaciones

BALANZAS PARA EQUIPAJE

Balanza para equipajes empleada en los mostradores de los aeropuertos, con capacidad
de hasta 500 Kg.

Balanza digital con galgas semiconductoras

Estas balanzas están constituidas por una celda de carga de galgas semconductoras, que
cosnsisten en una lámina de material aislante que soporta al elemento activo, que en este
caso se trata de un cristal dopado de silicio, su funcionamiento se basa en el efecto
piezorresistivo de los semiconductores, que genera una variación de la conductividad
del material en función de las deformaciones resultantes a la aplicación de una fuerza.
Sus ventajas principales consisten en la facilidad de instalación, alta sensibilidad,
tamaño reducido y alta resistencia a la fatiga. Su principal inconveniente radica en su
respuesta no lineal y la alta dependencia del factor de galga con la temperatura, en
relación inversamente proporcional.
Aplicaciones

BALANZA DE CAMIONES

Balanza que utiliza celdas de carga digitales HBM, conectadas a una PC. Cada celda de
carga utiliza un Microprocesador interno que monitorea en tiempo real, el
funcionamiento de la misma, corrigiendo cualquier inconveniente que pudiera afectar
los datos de peso.

Celda de carga

Las básculas electrónicas utilizan sensores conocidos como célula de carga o celda de
carga. Las celdas de carga convencionales consisten en una pieza de metal a la que se
adhieren galgas extensométricas. Estas galgas cambian su resistencia eléctrica al
traccionarse o comprimirse cuando se deforma la pieza metálica que soporta el peso del
objeto. Por tanto, miden peso. El metal se calcula para que trabaje en su zona elástica;
esto es lo que define la operatividad de una celda. El ajuste de las resistencias se hace
con un puente de Wheatstone, de modo que al alimentarse con un voltaje entregan una
salida de voltaje proporcional a la fuerza aplicada en el metal (en el orden de
milivoltios). Asimismo se utilizan filtros electrónicos de pasa bajo para disminuir el
efecto de las perturbaciones de alta frecuencia.

En estas básculas que miden peso mediante la deformación de un elemento elástico, la

masa indicada es una medida indirecta que resulta de evaluar el esfuerzo
correspondiente al peso del objeto. Tienen que calibrarse periódicamente y cuando son
trasladadas, debido a las variaciones en la intensidad gravitatoria de unos lugares a
otros. La calibración se hace por comparación con pesas patrones que a su vez estén
calibradas con mayor precisión que la correspondiente a la balanza a calibrar según un
sistema internacional de trazabilidad y certificación.

En la figura anterior se observa una placa electrónica pasiva para la suma y ecualización
de hasta 8 celdas de carga. Empleada en básculas de camiones y ferroviarias.
 Diseño de la balanza

Diagrama general

Circ. Acop. 1 [𝑉] 1 [𝑉]

Inicial Conversor
Circuito de Circuito de Conversor
Amp Rango de de
acoplamien acoplamien de voltaje a
AD620 4 a 20 mA corriente a
to to final corriente
Filtro voltaje
pasabajo 5 [𝑉] 5 [𝑉]

Circuito de
balanceo
del puente

0 [𝑉]

Circuito de
LCD acoplamien
to adicional
5 [𝑉]

Diseño del circuito de acoplamiento

Requerimientos
Circuito basado en el módulo del laboratorio.
 Diseño del circuito de acoplamiento inicial

Requerimientos
Diseño de filtro
𝑓𝑐 = 40𝐻𝑧

2 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠

𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝐴𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 741

Si 𝐶1 = 𝐶2 = 0,1𝜇𝐹
1
𝑓𝑐 =
2𝜋𝑅𝐶
1
𝑅=
2𝜋(40)(0.1 × 10−6 )
𝑅 = 39,78𝑘𝛺
𝑅𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 47𝑘𝛺
𝑅𝐹
𝐴𝑣 = 1 +
𝑅𝐺

0
𝐴𝑣 = 1 +
1𝑘

𝐴𝑣 = 1
Cálculo de la resistencia para el amplificador de instrumentación

Ganancia del amplificador de instrumentación

49.4𝑘Ω
𝐺= +1
𝑅𝐺

49.4𝑘Ω
1000 = +1
𝑅𝐺
Va
Vc’ 1001𝑅𝐺 = 49.4𝐾Ω
Vb
𝑅𝐺 = 49,35𝑘𝛺

Diseño del circuito de acoplamiento final

Requerimientos
Rango de salida: 1[V] - 5[V]
Peso (g) Salida puente(mV) Salida Filtro Circuito de
acondicionamiento
0 0,05mV 0,04V 1V
140 1.49mV 1.38V 5V

Entonces:

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏
𝑦2 − 𝑦1
𝑚=
𝑥2 − 𝑥1
5−1
𝑚= = 3,125
1,38 − 0,1
1 = 3,125(0,1) + 𝑏
𝑏 = 0,6
𝒚 = 𝟑, 𝟏𝟐𝟓𝒙 + 𝟎, 𝟔
Curva de transferencia
 Ecuación de transferencia
5

Voltaje Salida (v)

3 y = 3.0769x + 0.6923

0
0 0.5 1 1.5 2
Voltaje entrada (v)

𝑅𝑓
𝑦 = − 𝑅𝑖 𝑥 + b
Si 𝑅𝑖 = 10𝐾Ω;
𝑦 𝑅𝑓
=− = 3,125
𝑥 10𝐾Ω
𝑹𝒇 = 𝟑𝟏. 𝟐𝟓 𝑲Ω

Diseño del circuito de conversión de voltaje a corriente

Rango de entrada: 1[V] - 5[V]
Rango de salida: 4[mA] - 20[mA]
𝑅4 𝑅2
=
𝑅3 𝑅1
𝑅2 = 𝑅1 = 250
𝑅4 = 𝑅3 = 10𝐾
 Diseño del circuito de conversión de corriente a voltaje
Rango de entrada: 4[mA] - 20[mA]
Rango de salida: 1[V] - 5[V]
Si 𝑅 = 250𝛺
𝑉𝑜 = 𝐼𝐹 ∙ 𝑅
Para 𝑖 = 4𝑚𝐴 𝑉𝑜 = 𝐼𝐹 ∙ 𝑅 𝑉𝑜 = 4 𝑚𝐴 ∙ 120 = 1 𝑉
Para 𝑖 = 20𝑚𝐴 𝑉𝑜 = 𝐼𝐹 ∙ 𝑅 𝑉𝑜 = 20 𝑚𝐴 ∙ 120 = 5 𝑉

Diseño de acoplamiento adicional 0-5V

Rango de salida: 0[V] - 5[V]
Peso (g) Salida CIV (V) Salida a Arduino (V)
0 1V 0V
140 5V 5V

Entonces:
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏
𝑦2 − 𝑦1
𝑚=
𝑥2 − 𝑥1
5−0
𝑚= = 1,25
5−1
5 = 1,25(5) + 𝑏
𝑏 = −1,25
𝒚 = 𝟏, 𝟐𝟓𝒙 − 𝟏, 𝟐𝟓
Curva de transferencia
 Ecuación de transferencia
5
y = 1.25x - 1.25
Voltaje Salida (v) 4

0
0 1 2 3 4 5
Voltaje entrada (v)

𝑅𝑓
𝑦 = − 𝑅𝑖 𝑥 + b
Si 𝑅𝑖 = 10𝐾Ω;
𝑦 𝑅𝑓
=− = 1,25
𝑥 10𝐾Ω
𝑹𝒇 = 𝟏𝟐, 𝟓 𝑲Ω

Visualización

Flujograma
Código
/*
Pines:
* LCD RS pin to digital pin 12
* LCD Enable pin to digital pin 11
* LCD D4 pin to digital pin 5
* LCD D5 pin to digital pin 4
* LCD D6 pin to digital pin 3
* LCD D7 pin to digital pin 2
* LCD R/W pin to ground
* LCD VSS pin to ground
* LCD VCC pin to 5V
* 10K resistor:
* ends to +5V and ground
* wiper to LCD VO pin (pin 3)
*/

// include the library code:

#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
float voltaje=0;

void setup() {
pinMode(A0,INPUT);
// set up the LCD's number of columns and rows:
lcd.begin(16, 2);
lcd.setCursor(0,4);
lcd.print("BALANZA");
}

void loop() {
voltaje=analogRead(A0);
lcd.setCursor(1,1);
lcd.print("Voltaje:");
lcd.setCursor(1,4);
lcd.print((voltaje*5)/1023);
lcd.setCursor(1,8);
lcd.print("PESO:");
lcd.setCursor(1,12);
lcd.print((voltaje*140)/1023);
if(voltaje<=1024){
if(voltaje<=950){
if(voltaje<=877){
if(voltaje<=804){
if(voltaje<=731){
if(voltaje<=658){
if(voltaje<=585){
if(voltaje<=512){
if(voltaje<=439){
if(voltaje<=366){
if(voltaje<=293){
if(voltaje<=220){
if(voltaje<=147){
if(voltaje<=74){
lcd.print("0.0");
}
lcd.print("10 ");
}
lcd.print("20 ");
}
 lcd.print("30 ");
}
lcd.print("40 ");
}
lcd.print("50 ");
}
lcd.print("60 ");
}
lcd.print("70 ");
}
lcd.print("80 ");
}
lcd.print("90 ");
}
lcd.print("100");
}
lcd.print("110");
}
lcd.print("120");
}
lcd.print("130");
}
lcd.print("140");
}

Circuito Arduino y LCD

Simulación del circuito mejorado

Procedimiento
1. Armar el circuito, empleando las conexiones del módulo DTS-3/2 en lo
referente a las conexiones de las galgas, y mediante cables cortos lleva a un
protoboard.
2. Energice el circuito del puente de Wheastone con el circuito de Balanceo y
ajuste los potenciómetros hasta obtener el balance, anote ese valor en la tabla #2.
3. Conectar al circuito el amplificador AD620 con σ=10 al puente y medir el Vo y
anotar en la tabla #1.
4. Conectar el circuito del filtro amplificador AD620 y medir el Vo y anotar en la
tabla 1.

Tabla de resultados

Peso Puente AD620 Filtro Vo

Vo Vo
0 0mV 0V 0
1 0,093mV 0,09V 0,1V
2 0,21mV 0,22V 0,21V
 7 0,62mV 0,65V 0,68V
14 1,38mV 1,37V 1,39V

Análisis de Resultados
Tras un breve análisis en la tabla de datos obtenidos podemos determinar, que los valores
entregados mediante el puente corresponden a la variación directa de las proporciones de
deformación aplicadas a las cargas extensiométricas en la balanza del modulo DTS-3/2,
además también podemos ver que la ganancia propuesta de 10 es insuficiente para
realizar las mediciones por tanto se aplica la ganancia de 1000, a esta salida se le va
aplicar un filtro con el fin de limpio posible ruido colado en la señal del sensor, así
logrando obtener una salida estable al final del filtro.

Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones
 Se consiguió diseñar una balanza digital capaz de medir pesos entre 0 y 140g
mediante ale modulo DTS-3/2.
 Fue necesario analizar la linealidad lograda con el circuito acoplado para así obtener
la ecuación de dicha línea, la cual es de gran utilidad en la programación.
 Se logró realizar el acoplamiento de una pantalla LCD que permita visualizar los
valores que proporciona el Arduino previamente programado.
 Se cumplió con uno de los fines deseado, obtener un error menor al 5% en
comparación con una balanza digital ideal.
 Fue necesario una etapa de acondicionamiento adicional para la lectura de la tarjeta
Arduino.

Recomendaciones
 Analizar el funcionamiento de las galgas que contiene la balanza a usarse
 Evitar que la balanza que se usará sufra golpes o daños fuertes en su estructura pues
esto modifica su capacidad de sensibilidad.
 Polarizar correctamente la pantalla LCD y las galgas de la balanza.
 Aplicar el método de interpolación para la correcta realización del programa que se
grabará en el Arduino.

Bibliografía

[1] R. F. Coughlin, F. F. Driscoll, E. Alatorre Miguel, y G. Aranda Flores,

Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. México [etc.: Prentice-
Hall Hispanoamericana, 1999.
[2] R. L. Boylestad, L. Nashelsky, R. Navarro Salas, y F. Rodríguez Ramírez,
Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México: Pearson Prentice
Hall, 2009.
[3] A. P. Malvino y A. P. Malvino, Malvino electronic principles, 6th ed. New York:
Glencoe/McGraw-Hill, 1999.
[4] “Amplificadores de Corriente a Tensión “. Extraído el 03 de agosto del 2017.
Disponible en http: http://www.electronicafacil.net/tutoriales/CONVERTIDOR-
CORRIENTE-A-TENSION.pdf.
[5] “Amplificadores de Voltaje a Corriente “. Extraído el 03 de agosto del 2017.
Disponible en http: http://www.electronicafacil.net/tutoriales/CONVERTIDOR-
CORRIENTE-A-TENSION.pdf