INVERNADERO INTELIGENTE

1. Introduccion
La automatización es la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas tareasanteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de lasoperaciones sin intervención humana.Resulta sumamente interesante saber cómo es posible que diversos sistemas sean tanprecisos, rápidos, económicos y sobre todo, autónomos. Pues gracias a la automatizaciónes como obtenemos todas estas grandes ventajas. El presente trabajo trata de explicar la resolución de un problema que se planteó y la motivación para darle una solución eficaz por medio de la automatización.
Los invernaderos.
En elproyecto a tratar se habla de cómo se aplica la automatización por medio de un conjunto de sistemas dentro de un invernadero para lograr una autonomía y mayor eficiencia de este , la construcción de dichos sistemas, que materiales fueron empleados para su elaboración,que compone a cada uno de los sistemas que integran al invernadero así como el funcionamiento de estos.

1.1 Objetivo de la práctica

Que el alumno aplique los conocimientos adquiridos en las siguientes asignaturas para la elaboración y diseño de un controlador de temperatura y sistema de riego automatico para  un invernadero, así como también obtener conocimientos de como trabajan estos sistemas de forma real.

  • Microcontroladores
  • Electrónica de Potencia

1.2 Problema, necesidad, utilidad.

Queremos hacer de esto una visión más de la utilidad que tiene la automatización, ya que existen muchos prototipos muy similares al que trabajamos nosotros , así que  deseamos mostrarlo de manera que se vea lo que hemos aprendido de electrónica de potencia, y como éstos conocimientos se aplican en la hindustria.

 La ventajas del sistema de invernaderos automatizados es la mayor productividad por m2, la garantía de tener una producción de calidad, el control eficiente de plagas y enfermedades del cultivo, un mayor control de los factores ambientales, poder producir fuera de época, tener las condiciones ambientales para producir cultivos inocuos, tener más oportunidad de comercializar cultivos de alta calidad en un mercado competitivo.

1.3 Conceptos Básicos

Un TRIAC es un dispositivo de tres terminales utilizado para controlar el valor promedio de la corriente que fluye a una carga.

triac

Cuando es llevado a conducción el TRIAC puede conducir en ambos sentidos, su símbolo esquemático es el que se muestra a continuación.

simbolo-triac

Cuando el TRIAC es bloqueado, no puede fluir corriente entre sus terminales principales independientemente de la polaridad de la fuente externa aplicada. Por tanto el triac actúa como interruptor abierto.

Cuando el triac es llevado a conducción, presenta una resistencia muy baja al paso de corriente en el camino de un terminal principal al otro, donde el sentido del flujo depende de la polaridad de la fuente externa aplicada. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye más positivo en MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2.

La forma de onda del TRIAC no está limitada a 180 ° de conducción por ciclo. Con ell adecuado arreglo de disparo, puede conducir por la totalidad de los 360° por ciclo. Proporciona control de potencia de onda completa. Cuando el triac se dispara, en su ángulo de disparo el triac actúa como interruptor abierto, por lo tanto no hay flujo de corriente a través de la carga. Después del ángulo de disparo el triac conduce y actúa como circuito cerrado en el resto de semiciclo, a esta posición se le denomina ángulo de conducción. El voltaje de compuerta necesario para disparar al triac está simbolizado por   y la corriente de puerta necesaria para el disparo  está simbolizada por . La mayoría de los triac de media potencia tiene un    del orden de 0.6 a 2V y una   de 0.1 a 20mA.

Otro valor eléctrico importante el cual lo dan los fabricantes en las hojas de especificaciones es  generalmente dentro de 1 y 2 V.

curva

 es el voltaje de ruptura, es decir, el voltaje máximo aplicado entra las terminales principales del triac. Si se alcanza este voltaje, el triac se rompe y comienza a dejar circular corriente por las terminales. Esto no daña al triac pro presenta una perdida del control de puerta (valores comunes 100, 200, 400 y 600.

Formas de onda en los triacs

Las formas de onda en los triacs son similares a las formas de onda en los SCR, excepto que pueden cebarse (activarse) en el semiciclo negativo. La figura muestra las formas de onda del voltaje en la carga y voltaje en el triac (entre los terminales principales).

conduccion

La porción del semiciclo durante el cual el triac está en CORTE se denomina ángulo de disparo, en esta situación el triac está actuando como un interruptor abierto, durante este tiempo la totalidad del voltaje de línea cae a través de las terminales principales del triac

y no se aplica voltaje a la carga, entonces no hay flujo de corriente por el triac o por la carga. La porción del semiciclo durante el cual el triac está en CONDUCCION se denomina ángulo de conducción, en esta situación el triac se ceba o CONDUCE y actúa como un interruptor cerrado. El triac comienza a conducir a través de sus terminales principales y a través de la carga y continúa la conducción de corriente por el resto del semiciclo.

Las formas de onda muestran que durante el ángulo de conducción la totalidad del voltaje de línea se aplica a la carga, y cero voltaje aparece a través de los terminales principales del triac.

Control digital de potencia

Una de las aplicaciones más típicas de los tiristores es el control de potencia realizado a través de señales digitales que proviene de circuitos digitales o microprocesadores. Para evitar que el circuito digital de control sea dañado por la red de alimentación es preciso aislar ambos sistemas. Las técnicas de aislamiento están basadas en transformadores u opto-acopladores. La segunda elección es la más adecuada por dos motivos: direccionalidad y prestaciones.

Un opto-acoplador es unidireccional, la señal va en un único sentido a diferencia de un transformador que es bidireccional. Además, presenta mayores prestaciones desde el punto de vista de coste, volumen y fiabilidad. La mayoría de los opto-acopladores no tiene capacidad de conducir grandes corrientes y por ello son utilizados como circuitos de disparo de TRIACs de mayor potencia. El siguiente es el diagrama de bloques general para la conexión de un sistema digital a una etapa de potencia mediante el uso de un optoaclopador:

opto

LCD

Las pantallas de cristal líquido LCD o display LCD para mensajes (Liquid Cristal Display) tienen la capacidad de representar la información que genera cualquier equipo electrónico de una forma fácil y económica. La pantalla consta de una matriz de caracteres (normalmente de 5×7 o 5×8 puntos) distribuidos en una, dos, tres o cuatro líneas de 16 hasta 40 caracteres cada línea. El proceso de visualización es gobernado por un microcontrolador incorporado a la pantalla, siendo el Hitachi 44780 el modelo de controlador más utilizado.

En una LCD es posible mostrar caracteres ASCII, japoneses, griegos o símbolos matemáticos. Su bus de conexión puede ser de 4 u 8 bits. Tienen un consumo muy bajo (75 mW) y son ideales para dispositivos que requieren una visualización pequeña o media.

La LCD a utilizar en esta práctica es del tipo 16×2, la cual tiene 2 renglones de 16 caracteres y cuenta con 16 patillas.

lcd

1.3.1 Microcontrolador PIC16F887

pic

  • arquitectura RISC
    • El microcontrolador cuenta con solo 35 instrucciones diferentes
    • Todas las instrucciones son uni-ciclo excepto por las de ramificación
  • Frecuencia de operación 0-20 MHz
  • Oscilador interno de alta precisión
    • Calibrado de fábrica
    • Rango de frecuencia de 8MHz a 31KHz seleccionado por software
  • Voltaje de la fuente de alimentación de 2.0V a 5.5V
    • Consumo: 220uA (2.0V, 4MHz), 11uA (2.0 V, 32 KHz) 50nA (en modo de espera)
  • Ahorro de energía en el Modo de suspensión
  • Brown-out Reset (BOR) con opción para controlar por software
  • 35 pines de entrada/salida
    • alta corriente de fuente y de drenador para manejo de LED
    • resistencias pull-up programables individualmente por software
    • interrupción al cambiar el estado del pin
  • memoria ROM de 8K con tecnología FLASH
    • El chip se puede re-programar hasta 100.000 veces
  • Opción de programación serial en el circuito
    • El chip se puede programar incluso incorporado en el dispositivo destino.
  • 256 bytes de memoria EEPROM
    • Los datos se pueden grabar más de 1.000.000 veces
  • 368 bytes de memoria RAM
  • Convertidor A/D:
    • 14 canales
    • resolución de 10 bits
  • 3 temporizadores/contadores independientes
  • Temporizador perro guardián
  • Módulo comparador analógico con
    • Dos comparadores analógicos
    • Referencia de voltaje fija (0.6V)
    • Referencia de voltaje programable en el chip
  • Módulo PWM incorporado
  • Módulo USART mejorado
    • Soporta las comunicaciones seriales RS-485, RS-232 y LIN2.0
    • Auto detección de baudios
  • Puerto Serie Síncrono Maestro (MSSP)

Soporta los modos SPI e I2C

al-mundo-de-los-microcontroladores-basic-chapter-03-fig3-1

 

1.3.3 Opto-acoplador

Un Optoacoplador es un circuito integrado muy básico compuesto generalmente por un diodo LED y un fototransistor unidos de tal forma que cuando una señal eléctrica circula a través del LED haciendo que brille, la luz que este emite es recibida por la base del fototransistor, que empieza a actuar en modo saturación.

Puedes utilizar este dispositivo a modo de interfaz entre dos circuitos, de tal forma que quedarían unidos ópticamente, lo que a efectos de protección del circuito, se traduce en colocar una resistencia de un valor muy alto (muchos MΩ), lo que lo hace especialmente útil para proteger contra los picos de tensión.

Como la luz que emite el LED varía en función de la tensión y la corriente que circulan por él y esta luz a su vez modifica el comportamiento del transistor, la señal eléctrica que tendrás a la salida (en el transistor) dependerá de la señal que tengas a la entrada, es decir, de cómo ataques el LED.

En la práctica esto se traduce en que si regulas bien el comportamiento de tu Optoacoplador (y los componentes necesarios para su funcionamiento), puedes conseguir que tu circuito aislador sea invisible en la práctica, es decir, no cambie el comportamiento de tu circuito global. Otra posibilidad es que te aproveches de la ganancia que te proporciona el fototransistor y lo utilices para amplificar la señal.

 

optp

MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO

  • Concepto

La Modulación de Ancho de Pulso (o en inglés Pulse Width Modulation PWM) es un tipo de señal de voltaje utilizada para enviar información o para modificar la cantidad de energía que se envía a una carga. Este tipo de señales es muy utilizada en circuitos digitales que necesitan emular una señal analógica.

Este tipo de señales son de tipo cuadrada o sinusiodales en las cuales se les cambia el ancho relativo respecto al período de la misma, el resultado de este cambio es llamado ciclo de trabajo y sus unidades están representadas en términos de porcentaje. Matemáticamente se tiene que:

ciclo-de

  • Implementación en el PIC16F887

CCP PIC modo PWM

En esta forma de  trabajo del módulo CCPx donde x puede ser 1 o 2 dependiendo del módulo CCP utilizado, lo que se logra es obtener por el pin CCPx una señal periódica, este pin debe ser configurado como una salida digital mediante el correspondiente TRISC, con parte de la señal obtenida en alto  y parte de la señal en bajo, lo interesante de este modo de trabajo del módulo CCP PIC modo PWM  es que de la señal periódica obtenida por el pin CCPx se puede modificar el tiempo que la señal estará en alto.

Para el PIC16F887 el módulo CCP PIC modo PWM el ancho de pulso o ciclo de trabajo puede tener como máximo una resolución de salida de hasta 10 bits,  lo que dependerá del periodo de la señal PWM generada, esto quiere decir que el valor que representa el ancho de pulso estará representado por un número binario que como máximo tendrá 10 bits.

Para la parte de la señal PWM obtenida por el pin CCPx en alto o a 1, que es el ciclo de trabajo o el ancho de pulso y por lo tanto la parte variable de la señal PWM, de los 10 bits que puede tener como máximo, los 8 bits de más peso se encuentran en el registro CCPRxL y los 2  bits de menos peso en los bits 5 y 4 del registro CCPxCON , mientras que para el periodo de la señal PWM y por lo tanto la parte de la señal que no cambiará será el valor almacenado en el registro PR2, el cual es uno de los registros utilizados con el timer2.

Al utilizar el CCP PIC modo PWM para obtener una salida PWM por el pin CCPx se tienen que cumplir 2 cosas:

  1. Establecer el periodo de la señal mediante un valor cargado en el registro PR2 el cual no tendrá que ser cambiado.
  2. Establecer un ciclo de trabajo mediante un valor cargado en el registro CCPRxL y CCPxCON el cual si puede ser cambiado para obtener en el pin CCPx tensiones medias variables para el control de diverso dispositivos.

 

  • Control de velocidad del ventilador extractor a partir de la temperatura

El motor gira en función de la temperatura medida, el rango permitido para el control del motor es de 10 a 40 °C. La velocidad del motor es lineal a la temperatura.

Es decir, para una temperatura de 10 °C la señal de PWM es 0, para bajas temperaturas el motor se apaga. Para una temperatura de 40 °C la señal de PWM es 255, para altas temperaturas el motor gira al máximo. Finalmente si las temperaturas son menores a 10 °C, el motor se mantiene apagado, y si las temperaturas son mayores a 40 °C, el motor se mantiene al máximo.

Dentro del rango de 10 y 40 °C el motor gira linealmente a la temperatura.

control

1.4 Justificación

Para el diseño de un invernadero es necesario conocer los factores que rigen el buen funcionamiento del mismo. Se debe especificar el objetivo que se persigue con el cultivo en invernadero, y hacer consideraciones de eficiencia y funcionalidad, así como su interacción. Todo esto llevará a un perfecto aprovechamiento. Los invernaderos se clasifican de acuerdo al régimen térmico, al material de cobertura, a la forma y a la estructura, estas especificaciones serán suficientes para diseñar el invernadero apropiado a nuestras necesidades. El sistema de cultivo bajo invernadero automatizado proporciona un microclima adecuado para la producción de cultivo de frutas, flores y hortalizas. La ventajas del sistema de invernaderos automatizados es la mayor productividad por m2, la garantía de tener una producción de calidad, el control eficiente de plagas y enfermedades del cultivo, un mayor control de los factores ambientales, poder producir fuera de época, tener las condiciones ambientales para producir cultivos inocuos, tener más oportunidad de comercializar cultivos de alta calidad en un mercado competitivo.

 

1.5 Elementos de la práctica

Material para circuito de PIC 

  • 1 PIC16F887
  • 2 Capacitores de 33pF
  • 1 Cristal oscilador de 4 MHz
  • 1 Resistencia de 100 Ohms
  • 1 Resistencia de 10 Kohms
  • 1 Push button

Material para circuito de LCD

  • 1 LCD 16 x 2
  • 1 Resistencia de 330 Ohms
  • 1 Potenciómetro de 10 Kohms

Material para circuito de control de fase

  • 1 Resistencia de 330 Ohms
  • 1 Resistencia de 2.2 Kohms
  • 1 Resistencia de 510 Ohms
  • 2 Resistencias de 100 Ohms
  • 5 Resistencias de 10 Kohms
  • 1 Transistor NPN BC547
  • 1 Optoacoplador MOC3011 (Opto-triac)
  • 2 Optoacopladores 4N25 o PC817 (Opto-transistor)
  • 2 Push button
  • 1 Capacitor de 100nF
  • 1 TRIAC (2N6073 de preferencia)
  • 1 Transformador de 6V (o uno de 12V y usar la derivación central)
  • 3 focos de 75-100W
  • 3 Socket

Material para control de PWM del ventilador

  • 1 Resistencia de 220 Ohms
  • 1 Transistor 2N2222

Material para control de sistema de riego

  • 1 Resistencia de 220 Ohms
  • 1 Resistencia de 1K Ohms
  • 4N25
  • TIP122

 

  1. Procedimiento

El alumno realizará las siguientes actividades:

  • Presentar el diagrama eléctrico detallado.
  • Presentar el controlador de nivel de tanque de alguna de las siguientes dos formas:

Protoboard (tiene un valor del 50% de la puntuación total de la actividad).

Circuito impreso (tiene un valor del 100% de la puntuación total de la actividad).

Circuito impreso + los bloque color verde del diagrama a bloques (tiene un valor del 133% de la puntuación total de la actividad).

  • Hacer un reporte detallado en Wordpres
  1. Desarrollo

2.1 Diagrama del circuito

diagrama

 

2.2 PCB de circuitos y circuitos impresos

Circuito de baquelita de PIC

baquelita-de-pic

PCB
pbc-pic

 

Circuito del oscilador

En la siguientes imágenes observamos el oscilador realizado para que nos genere una señal de pulsos en nuestro pic y que su frecuencia sea aproximada a 120Hz

oscilador

PCB realizado en proteus

pcb-oscilador

Baquelita Experimental.

oscilador-baqielita

 

Circuito del optotriac y triac

En el siguiente esquema separamos el circuito de control del circuito de potencia de esta manera aislamos nuestra parte de control y protegemos el microcontrolador.

opto-triac

Elaboración del PCB en proteus

pcb-opto-triac

Baquelita Experimental.

baquelita-optp

Circuto de control de PWM

La señal del PWM generada por el microcontrolador tiene que activar de alguna manera nuestro ventilador para accionar el sistema de enfriamiento de ser necesario, y para ello estamos utilizando un transistor 2N2222 de manera de interruptor, de modo que con la corriente generada del PWM polarizamos la base y el transistor cierre o se abra más, según la corriente que le esté llegando.

circuito-pwwm

PCB

pcb-pwm

Baquelita Experimental

pwm

 

Circuito de optotransistor para bomba

Para activar nuestra bomba en el sistema de riego utilizamos un optotransistor, y de igual manera separamos la parte de control de la de potencia, con la finalidad de tener mayor protección y menores problemas de ruidos, y un transistor de potencia.

bomba

PCB

pcb-bomba

Baquelita Experimental

baquelita-bomba

 

Circuito detector de humedad

El sensor de humedad que hemos elaborado mantendrá la bomba activada o desactivada según detecte o no humedad, de esta manera este nos mandará 0 o 1 a la entrada del pic, mientras nos mande un 0 la bomba estará activa pues no detectará humedad, y si manda 1 la bomba permanecerá desactivada.

detector-ee-humedad

MATERIALES DE LA ELABORACIÓN DEL PROTOTIPO

 

  1. Código del programa

INVERNADERO

 

LIBRERÍA PARA LCD

 

LIBRERÍA PARA TIEMPO

tiempo

  1. Conclusión

En este pequeño proyecto vimos una de las aplicaciones de de los tiristores, es el de control de potencia realizado a través de señales digitales que proviene de circuitos digitales o un microprocesador en este caso.

Para evitar que el circuito de control se dañara por la red de alimentación fue necesario aislar ambos sistemas. Las técnicas que utilizamos es la basada en transformadores u opto-acopladores.

Sabemos que un opto-acoplador es unidireccional, y por eso es apropiado para nuestro circuito no tienen capacidad  de conducir grandes corrientes, a partir de esto se realizó un regulador de potencia realizado con un TRIAC.

El funcionamiento del circuito empieza con un oscilador de una frecuencia de 60Hz que manda pulsos al microprocesador PIC16F887 y este me dará como salida pulsos que llegarán a un transistor y este me va a amplificar la frecuencia a 120Hz aproximadamente. Este pulso me llegará al opto-acoplador y llegará hasta el TRIAC haciendo que este conduzca.

En la simulación de PROTEUS podemos observar con mayor precisión el tiempo de disparo del TRIAC.

Los ángulos de disparo que tenemos es como menor 37° que es cuando los focos están a mayor intensidad y 147° cuando el foco está con la menor iluminación.

Respecto al PWM hemos tomado como máximo la temperatura de 40°C que será cuando nuestro ciclo de trabajo estará al 100%.

El rango de temperatura a la que queremos mantener la temperatura ambiente de nuestro invernadero es de 26°C a 29°C.

  1. Bibliografía

VIDEO DEL PROYECTO.

 

Controlador de nivel de tanque

  1. Introducción

Desde hace varios años, la mano del hombre ya no es tan necesaria para poder controlar todos aquellos equipos y artefactos que utilizamos diariamente ya sea como por ejemplo, el alumbrado público, controlar la calefacción, controlar el llenado de un tanque con agua, etc. Hoy en día, existe la posibilidad de que ciertos sistemas específicos puedan controlar y efectuar el manejo por si solos de manera automática.

En este proyecto de laboratorio de electrónica digital el alumno deberá de poner en practica  lo que trabajo durante todo el semestre,  para evaluar sus conocimientos adquiridos,  este caso trabajaremos con un proyecto llamado (Controlador de nivel de tanque) .

Este proyecto esta compuesto por distintos circuitos ínter conectados con la finalidad de lograr el objetivo deseado, automatizaremos el llenado de un tanque de agua, controlando el tiempo de encendido y apagado de la bomba mediante circuitos eléctricos.

 

2. Objetivo

El objetivo de esta practica es que el alumno aprenda a trabajar con distintos circuitos que realizan diversas funciones dentro de un solo, en nuestro caso el encendido y apagado de una bomba mediante el control de histeresis.

Este proyecto  se tratara sobre un sistema de control automático con el cual nosotros como usuarios, podremos mantener un control sobre el nivel de llenado de agua de un tinaco, de tal manera que cuando esté este lleno se detenga una bomba para el llenado de tanques, para así evitar el sobrellenado del mismo sin que se desperdicie el agua, por otro lado, una vez que el agua llegue a la mitad del tanque, hará que se active la bomba nuevamente para el llenado del tanque, cumpliendo el siclo de llenado, pero en este caso sin la intervención de la mano del hombre.

3. Marco Teórico

HISTERESIS

Los circuitos de conmutación y temporizador, o circuitos lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el funcionamiento de las computadoras digitales

Utilizando amplificadores operacionales se pueden construir circuitos entre los que pueden mencionarse los circuitos comparadores que sirven para indicarnos si una cierta señal dada se encuentra por encima o por debajo de un voltaje de referencia preestablecido.

Existen diferentes tipos de comparadores como los inversores, no inversores, con histéresis, sin histéresis y de ventana.

Dibujo1

CONTROLES DE NIVEL DE AGUA

Los controles del nivel máximo del agua en un tanque de almacenamiento tienen la doble función de garantizar la seguridad de las estructuras y de evitar el desperdicio de agua. El control del nivel máximo se hace mediante un sensor de nivel conectado en alguna forma, ya sea mecánica o electrónica con la operación de una válvula a la entrada del tanque. Como todo mecanismo siempre puede fallar en el momento de su operación, es importante que el tanque disponga de un sistema de seguridad de funcionamiento totalmente automático como por ejemplo un vertedero libre, eventualmente conectado con una alarma.

El control del nivel mínimo del agua tiene la función de garantizar el buen funcionamiento del sistema evitando la entrada de aire en la tubería que se encuentra aguas abajo del tanque, como por ejemplo en la red de distribución de agua, o en la succión de la o las bombas. En este caso también el sistema está compuesto por un sensor de nivel conectado a una alarma, para que el operador intervenga, o en sistemas más sofisticados, el sensor actúa directamente, para aumentar la entrada de agua al tanque.

HIDRONIVELES ELÉCTRONICOS

Los circuitos de hidroniveles eléctricos se han ido fabricando desde los más simples con transistores hasta otros más complejos y por tanto más seguros y con un funcionamiento más exacto.

Existe una gran variedad de hidroniveles electrónicos dependiendo de su funcionamiento, es que, se dará el tipo de líquido adecuado para su aplicación. Así pues tenemos los siguientes:

Control de nivel óptico

Control de nivel óptico para líquidos no conductivos. Se trata de un pequeño sensor de nivel para líquidos transparentes. El sensor emite hacia fuera una luz infrarroja, que se refleja en su propia punta semiesférica y vuelve al interior. Cuando esta sumergido la luz se refracta hacia afuera y no la detecta él mismo. Es muy útil para depósitos y tuberías bajo presión, y para conectar directamente a autómatas.

Control de nivel por vibración

Control de nivel por vibración para líquidos con salida relé. Dispone de un diapasón que queda introducido en el recipiente. Este diapasón esta vibrando a una frecuencia fija determinada, al contacto con el producto, altera la vibración y este cambio es detectado por el circuito electrónico de control. Se conecta en serie con la carga y lleva un piloto indicador de estado.

Interruptor de nivel conductivo

Este elemento sensor además de el electrodo de contacto con el agua, lleva toda la electrónica incorporada en su interior. Los dos electrodos que asoman por el extremo tienen corriente alterna de baja tensión. Es muy útil para depósitos y tuberías bajo presión, y para conectar directamente a autómatas.

Control de nivel por ultrasonidos

Este medidor de nivel se instala sobre la superficie del producto a medir, sólido o liquido, emite una onda sónica que rebota en el producto y devuelve el eco a la sonda. Esta evalúa el tiempo transcurrido y calcula la distancia. Dado que la velocidad del sonido en el aire varía con la temperatura, la sonda lleva un sensor de temperatura que compensa los cambios.

electronivel

4. Diagrama a bloques del circuito

diagrama a bloques

4.1 Fuente de voltaje lineal.

Cualquier circuito electrónico necesita energía para funcionar, esta energía la podemos obtener desde una pila o batería o a través de la red eléctrica. La tensión que nos suministra la red eléctrica es alterna (AC) y habitualmente excede en mucho el voltaje que necesitamos, por lo que tenemos que insertar un circuito electrónico que nos transforme el voltaje y tipo de corriente de la red, al voltaje y tipo de corriente ( AC o DC ) que necesitamos en nuestro circuito. Este circuito se denomina fuente de alimentación. Básicamente existen dos tipos de fuentes de alimentación, las lineales, que utilizan un transformador para disminuir el nivel de tensión en la red eléctrica al nivel necesario en nuestro circuito y las fuentes conmutadas que utilizan circuitos basados en transistores y bobinas trabajando en conmutación para reducir la tensión. Las ventajas de la fuente de alimentación lineal es su sencillez y que generan menos ruido electromagnético, las desventajas son su mayor tamaño y su menor eficiencia disipan mas energía en forma de calor que las  fuentes conmutadas.

Nuestra fuente de voltaje lineal que fabricamos tiene 12V en su primer salida puesto que ocupamos alguno circuitos que se alimenten con este voltaje.

clip_image009

4.2 Reductor  a 5v

En nuestro proyecto algunos circuitos deben de alimentarse con 5v debido a ello nos dispusimos a colocar un reductor de voltaje y a continuación se explica de su funcionamiento.

Con este circuito integrado que hace de regulador de tensión podemos obtener una tensión estabilizada de +5V con 5A de carga máxima. El LM7805 dispone de protección térmica y por cortocircuitos o sobrecarga, esta encapsulado en TO-3 y puede disipar 50 W de potencia. Los pines son compatibles con el SH323.

Su utilización ha sido amplia mente probada para alimentar circuitos como placas de microprocesador y circuitos TTL que requieren una tensión de 5 Voltios con una buena intensidad de 5 Amperes.

lm7805

Para obtener la tensión de +5V en la salida, en la entrada tendremos que introducir una tensión continua comprendida entre 8V y 25V máximo, en nuestro caso son 12V los que le metemos al lm7805.

reductor a 5v

4.3 Comparador con histéresis

(cálculos para su correcto funcionamiento)

Primeramente debemos de tener en cuenta que voltaje decaemos a la salida, necesitamos 12V puesto que con estos podemos excitar el relé y hacer que este se active para encender la bomba.

Debemos suponer el valor de una de la resistencia R2 para poder así despejar el valor de R1, tomando en cuenta el funcionamiento de la histeresis sabemos que un voltaje debe ser menor que otro para tener un Vo correcto, entones dispusimos ah poner V2=0 para el correcto despeje.

foto 1

Nos dispusimos hacer el despeje de R1:

foto 2

Este valor de resistencia es el que colocaremos para tener el voltaje que ocupamos a la salida del comparador de histeresis.

foto 3

Con la anterior imagen podemos darnos cuenta como trabajara el circuito de histeresis.

FOTO 4

Este es nuestro circuito:

histeresis

Cabe señalar que para este circuito solamente, necesitamos de una fuente simétrica para este circuito puesto que el op pam que utilizamos el cual es un LM741 que trabaja con alimentación de (V+) y (V-).

4.4 Circuito para desacoplar.

En nuestro proyecto colocamos un relevalor como circuito para acoplar y desacoplar como funciona esto, a la salida del circuito de histeresis tenemos 12V pero no podemos conectarlos directo al motor puesto que la minima corriete con la que trabajan este tipo de motores es de 1 a 2 Amperes lo que ocasionaría que se nos quemara el comparador de histeresis con tan solo el intento de arranque del motor, fue necesario colocar un relevador para que el voltaje y corriente de la bomba no interfirieran con el circuito de histeresis, la bomba fue alimentada por la fuente de 12V que diseñamos.

rele

Cuando haya una diferencia de voltajes en el comparador de histeresis se mandara un pulso ala base del transistor esto ara que se active y asu vez excite al relevador para que la conexión del común pase del normalmente abierto al normalmente cerrado y encienda la bomba. De manera contraria cuando el comparador de histeresis detecte los dos voltajes iguales en sus entrada se mandara de igual manera un pulso ala base del transistor y este desactivara el relevador pasando del normalmente cerrado al normalmente abierto.

4.5 Circuito detector de niveles.

Los indicadores de nivel, son los elementos más comunes dentro de los sistemas de control automático. Estos dispositivos nos permiten visualizar el nivel de líquido de cualquier recipiente, de modo, que podamos diseñar sistemas de cierre o apertura automática de entrada de líquido o simplemente, obtener información de primera línea de cuan lleno está un recipiente.

En esta parte usamos un circuito integrado el cual es ULN2803 es muy usado cuando se quieren hacer aplicaciones por puerto paralelo y una de sus principales carecteristicas es que aporta la potencia necesaria a las salidas del puerto. Dicho puerto tiene una intensidad de corriente que puede proporcionar directamente para encender un LED, pero no para mover un motor o excitar la bobina de un relé. Debido a esa razon se aumenta la cargabilidad mediante este circuito integrado, que permite extraer 500 mA por pin de salida, aplicando tensiones a la carga de hasta 50v.

Nosotros lo usamos para detectar cada nivel de agua y así cerrar el circuito para que se encendiera un led ala salida de ese nivel, asi indicar en que nivel esta el tanque.

detector de niveles

4.6 Circuito contador de niveles.

Este circuito es muy similar al circuito anterior solo que en este se muestra  en un display el numero de nivel en el que esta el tanque. Trabaja de manera similar con un circuito integrado 74LS147 el que cumple con la funcion principal, este circuito consta de 9 entradas las cuales van puestas en cada nivel del tanque y convierte el pulso entrante en numero binario dependiendo en que nivel se encuentra, este numero binario entra al decodificador el cual no convierte a BCD y mostrándose el numero en un display a 7 segmentos.

circuito contador

codificador

5. Explicación del circuito

Espesando con nuestro proyecto  y basándonos en el esquema realizando una fuente lineal de 12V para alimentar nuestros circuitos, este lo realizamos con un puente de diodos y un arreglo con capacitores, este circuito alimenta la bomba de agua y el circuito detector de niveles.

El funcionamiento del circuito es activar la bomba mediante el comparador de histeresis para que se empiece a llenar el tanque, y a su vez esta bomba se apague cuando el tanque llegue a un cierto punto que nosotros mismos establecimos el cual es el nivel 10, esto es posibles gracias a la colocación de las entradas del comparador de histeresis una en el nivel 5 y otra en el nivel 10, cuando encendamos los circuitos el detector de histeresis tendrá cero volts en el nivel 10 y 15v en el nivel 5, esto ocasiones una diferencia de voltaje lo cual manda un pulso al transistor y hace activar el rele, encendiendo la bomba y empesando con el llenado del tanque. Cuando el agua llegue al nivel 10 abra el mismo voltaje en ambas entradas por lo cual se mandaran cero volts ala salida y se desactivara el rele.

Se marca en el diagrama a bloques un contador para ir mirando en que nivel va el agua, y se uso un circuito de acoplamiento para proteger al circuito de histeresis, ya que este proporciona una mínima corriente insuficiente para activar la bomba que aria que se quemara en caso de no colocarse, también se coloco un detector de niveles el cual registra cada nivel en el agua encendiendo un led para indicarlo,

6. Conclusiones

Al terminar de realizar este proyecto nos dimos cuenta que pusimos en practica los conocimiento adquiridos en clase y en practicas de laboratorio. Nuestro equipo tubo algunos problemas en la realización del circuito, puesto que nuestra idea era polarizar el circuito detector de niveles con 5V esperando tener electrificada el agua con ese voltaje, se hicieron los cálculos del comparador de histeresis para que el voltaje en las entradas fuese de 5V. Pero al ver que el circuito detector de niveles no pudo trabajar con este voltaje, lo alimentamos con 12V funciono correctamente, el problema fue que en el agua había 15V, con los cuales ya no se podía trabajar comparador de histeresis, se pensó en la manera de solucionarlo y se llego ala idea de modificar los cálculos realizados para este nuevo voltaje. Se realizo y solo cambiamos en valor de dos resistencias las cuales eran potensiometros, no fue problema hay puesto que solo ajustamos el valor y nuestro circuito funciono correctamente.

Al estar trabajando en el proyecto surgieron unas dudas con respecto al correcto uso del comparador de histeresis eh indagamos en que al llegar a su punto mas alto la bomba se apagaría pero en cuanto este nivel bajara un poco esta volvería a activarse puesto que al bajar había una diferencia de voltajes, al final nos topamos con estas indagaciones ya que llegamos a ellas en nuestro circuito, fue algo malo al no saber como hacer para que la bomba volviese a encender pero a la mitad de los niveles como era pedido.

Vídeo del funcionamiento del  proyecto.

7. Bibliografía.

 

 

 

 

 

 

 

Sincronizasion de circuitos en señales caóticas.

1. Introducción.

Los sistemas caóticos de baja dimensión son utilizados en circuitos electrónicos analógicos que simulan el comportamiento de las ecuaciones de evolución de dichos sistemas. Concretamente, se ha tratado la sincronización caótica en dos situaciones diferentes. Por una parte, se han considerado las inestabilidades desincronizantes que aparecen en sistemas discretos a partir de un tamaño crítco del sistema. Este estudio ha puesto de manifiesto la aparición de nuevos comportamientos, como los denominados ondas periódicas rotantes y ondas caóticas rotantes. Estas últimas estructuras han sido caracterizadas en detalle utilizando un análisis de Fourier discreto. Así mismo, el estudio ha sido implementado numéricamente y se ha extendido al caso de ciertas estructuradas bidimensionales. Por otra parte, se ha estudiado el efecto del ruido sobre la sincronizacion de sistemas caóticos idénticos desacoplados.

Materiales para la los circuitos caóticos.

  • Diversas resistencias
  • Capacitores cerámicos
  • circuitos integrados LM324 (los cuales incluyen cuatro op amp
  • Osciloscopio
  • Fuente de poder

Sincronización de los dos circuitos de señales caóticas:

Método #1 para la sincronizacion:

La sincronizacion de este método es unir dos circuitos de señales caoticas con las mismas características en dos facetas distintas ya que el primer circuito sera llamado MAESTRO y el segundo circuito es llamado ESCLAVO,

En términos generales este método consisten en colocar un seguidor (op amp) en el centro de los dos circuitos (MAESTRO Y ESCLAVO).

Este arreglo tiene la siguiente forma:

kllllllllllllllllllllllllllllllllllllll

La terminal de X1 sale del maestro conectando ala terminal positiva del arreglo del op amp, por consiguiente de la terminal negativa sale un puente hacia el pin de salida de este, llevando ala conexión de €1 del esclavo.

En el circuito del esclavo de desconecta f(€1) del circuito. y ha continuación verificamos que el circuito es caótico después de realizar esta seria de pasos, quedando la onda muy similar una con la otra.

FOTO DE PROTOBOARD CIRCUITO SINCRONIZADO

Después de sincronizar verificamos que tanto el maestro como el esclavo estuviesen aun caóticos:

GRÁFICAS CON DISPLAY DEL MAESTRO:

X3  con X1

MAESTRO 1

X1 con X3

MAESTRO 2

X2 con X3

MAESTRO 3

GRÁFICAS CON DISPLAY DEL ESCLAVO:

E1 CON E3

ESCLAVO 1

E2 CON E3

ESCLAVO 2

E3 CON E1

ESCLAVO 3

Ecuaciones para este método 1:

ECUACION DEL METODO 1

Gráfica de X1 con E1

x1 y e1

Como las ondas soy muy similares proseguimos a graficar con la función display del osciloscopio para corroborar que nuestro método 1 esta bien.

grafica metodo 1

Al mostrarnos una recta de 45 grados significa que la primer medición con el método 1 es correcta.

Gráfica de X2 con E2

GRAFICA DE X2 CON E2

( Como se muestra las gráficas muestran caos ala bes que similitud)

  Recta de X2 con E2

RECTA DE X2 CON E2

Gráfica de X3 con E3

GRAFICA DE X3 CON E3

Recta de X3 con E3

RECTA DE X3 CON E3

Con este  método solo fue acertada de forma correcta la gráfica de X1 con E1.

Por lo cual pasaremos al siguiente método.

Ecuaciones para el método 2:

ECUACIONES PARA EL METODO 2

Este método consiste en desconecta una resistencia de 1000K del esclavo y conectarla a X1 del maestro.

Se registraron los siguientes resultados:

Gráficas del método 2:

Gráfica de X1 con E1

METODO 2 (1.1)

 Recta de X1 con E1

METODO 2 (1)

Gráfica de X2 con E2

METODO 2 (2)

Recta de X2 con E2

recta de x2

Gráfica de X3 con E3

METODO 2 (3.1)

Recta de X3 con E3

METODO 2 (3)

Los dos métodos estuvieron siempre caóticos y como con este método se cumplió con la sincronizar proseguiremos al siguiente paso el cual es incriptar y desencriptar un mensaje.

Circuito incriptado y desencriptado.

En este paso armaremos otro circuito el cual tendrá como finalidad incriptar y desencriptar un mensaje en nuestro caso.

Las características del circuito son las siguientes:

captura 1 ya buena

Circuito de incriptado:

otra captura

Circuito sincronizado y incriptado:

11304507_10206887383405797_759397772_n

Circuito de incriptacion:

11351518_10206887383765806_461036038_n

Después de hacer este arreglo correctamente proseguimos a realizar las siguientes mediciones con el osciloscipio para verificar que estábamos realizando el procedimiento correctamente, y estos fueron los valores que nos arrojo:

Como se muestra en la imagen el mensaje en forma de onda como entra y como sale.

Lo que se muestra en la siguiente figura es el mensaje junto con X2.

CONCLUSIONES:

Al culminar esta practica pudimos llegar a la conclusión de que realizar circuitos simulados nunca se asemejara a realizaros de manera experimental debido a la alta probabilidad de errores.

Pudimos también trabajar con conceptos nuevos como fue la sincronización de dos circuitos caóticos el cual fue otro reto puesto que tuvimos algunos problemas en los circuitos caóticos se nos presentaron unos pocos mas en la sincronización de ellos. Trabajamos con tres distintos métodos buscando cual de ellos fuese el que nos resolviera nuestros problemas,  cuidando que los dos circuitos a sincronizar fuesen exactamente iguales.

Circuito de señales caóticas (experimental)

Al pasar nuestro circuito de señales caóticas a la protoboard y realizar las mediciones correspondientes de las (x)

esto fue lo que obtuvimos.

Empezando con las señales caóticas individualmente:

Onda caótica de x1:

Screen Capture
X1

Onda caótica de x2:

Screen Capture
X2

Onda caótica de X3:

Screen Capture
X3

Proseguimos graficando las ondas una con otra empezando con:

X2 contra X3:

Screen Capture
X2 contra X3

X3 contra X1:

Screen Capture
X3 contra X1

X1 contra X3:

Screen Capture
X1 contra X3

Conclusiones:

Al ver terminado el circuito antes mencionado podemos concluir en que, el alumno debe de tener un mayor cuidado ala hora de estar montando el circuito en la tablilla de pruebas, ya que es muy fácil cometer un error  y que debido a ello el circuito no funcione correctamente, tal es el caso de nuestro equipo lo cual nos llevo a rearmar el circuito en diversas ocasiones hasta darnos cuenta del error que cometíamos, después de corregirlo los resultados fueron favorables.

Circuito de Señales Caóticas

Señales Caoticas

El comportamiento errático de los sistemas físicos no tiene que ser de naturaleza aleatoria. Por el contrario, muchos de estos sistemas son sistemas deterministas muy sensibles al cambio de un parámetro. Estas señales se llaman señales caóticas y se pueden reproducir fácilmente. Existen varios ejemplos de este tipo de sistema, los convertidores de potencia (DC-DC) es una primera aplicación, pero también existen numerosas aplicaciones en el mundo de las comunicaciones para combatir el ruido, regular las armónicas de las señales sin olvidar la seguridad y la criptografía. En consecuencia, el estudio de señales caóticas y su generación es imprescindible para la modelación de estos sistemas físicos.

señales

Circuito de Chua.

El circuito de Chua es un circuito electrónico simple que exhibe el comportamiento caótico clásico. Fue introducido en 1983 por Leon Ong Chua, que estaba de visita en la Universidad de Waseda, Japón. A causa de la a facilidad de construcción del circuito, se ha convertido en un ejemplo común de un sistema caótico, y algunos lo han declarado un paradigma de caos.

El circuito de Chua es el circuito electrónico más simple que satisface los criterios de comportamiento caótico.

El circuito de Chua puede ser modelado a través de un sistema de tres ecuaciones lineal diferenciales con las variables x (t), y (t), z (t), que representan las tensiones en los condensadores C1 y C2, y la intensidad de la corriente eléctrica en la bobina L1, respectivamente.

chua

Procedimiento de la Practica:

Se busca llegar a  estas tres ecuaciones diferenciales ya establecidas mediante análisis matemático:

1.1

Calculo de X´2

x2

Para llegar a X’2 se utilizo la siguiente ecuación la cual desarrollamos en clase:

2

Sustituimos los valores de nuestras resistencias y capacitores en el circuito armado en la protoboard.

3

Simplificando mas el resultado:

4

Como la constante es igual para los tres casos me puede omitir, y dejar los términos de x solos.

Calculo de X´3:

x3

Para el calculo de X´3 se utilizo la siguiente ecuacion la cual desarrollamos también en clase.

5

Al igual que para el calculo de X´2, sustituimos los valores de nuestro circuito experimental en la ecuación quedando de la siguiente manera:

6

Al seguirlo simplificando llegamos a la ecuación deseada:

bueno

bueno mas

Por ultimo.

Calculo para X´1:

x1

La ecuación a la que llegamos para dar con X´1 fue la siguiente:

9

Al sustituir nuestros valores:

otra buena 1

Proseguimos a realizar la operación para el calculo de beta.

otra buena 2

Circuito hecho en multisim con los valores  en los componentes del circuito experimental.

circuito

Ondas de las señales caóticas del circuito:

ondas

(cada onda representa un canal osea una x.)

Gráficas de las ondas caóticas de una respecto a otra:

x2-x1

Esta representa X2 sobre X1

x2-x3

Esta representa la X2 con respecto a X3

x3-x1

Por ultimo esta representa la X3 contra la X1.

Metodo de Biseccion y Newton Raphson

Método de Bisección.

En matemáticas, el método de bisección es un algoritmo de búsqueda de raíces que trabaja dividiendo el intervalo a la mitad y seleccionando el sub intervalo que tiene la raíz.

1. Método de biseccion.m

Con el programa .m de biseccion echo en laboratorio.

biseccion1

Otro ejemplo de ello:

Función:

1

Por el método de bisección en archivo .m de MatLab

biseccion2

 Gráfica de la función:grafica1Matemático, con formula general:

matematico

Gráfica de la función:

6

2

3

Método gráfico:

Función:

1

2

1

4

3

como     f(5)*f(7.5)<0

4

5

como  f(5)*f(6.25)>0

6

7

al acercarnos a cero en la operación xr seria considerada nuestra raíz

Raíz= 7.185

%Error:

8

% Error entre interaciones:

9

Con el Programa de matlab:

5

2. Método de Newton Rapson:

En análisis numérico, el método de Newton conocido también como el método de Newton-Raphson o el método de Newton-Fourier es un algoritmo eficiente para encontrar aproximaciones de los ceros o raíces de una función real. También puede ser usado para encontrar el máximo o mínimo de una función, encontrando los ceros de su primera derivada.

Función con la cual trabajemos:

19

Gráfica de la función:

8

9

10

Método de Newton-Raphson:

11

Interacion #1:

17

Interacion #2:

20

Interacion #3:

21

Interacion #4:

22

Interacion #5:

23

% de error entre las ultimas dos interacciones:

24

Registro de datos en el programa de matlab:

12

3.Newton Raphson Mejorado:

15

14

                                                         10

11

12

13

3. conclusiones.

Con la realización de estas actividades establecidas podemos llegar a la conclusión que conforme fuimos viendo los temas estos se nos fueron facilitando y ahorrando mas el tiempo en el cual llegamos al resultado.

Resumido lo antes dicho decimos que al ver el primer tema este tenia un laborioso desarrollo para su solución después de ver el siguiente se nos fueron acortando los pasos para una mas rápida solución.

 Como en el método de Newton Raphson se deben de hacer muchas bisecciones para la solución por lo contrario en metodo de Newton Raphson modificado son mínimas las bisecciones que se deben hacer.

Regla de Simpson del Trapecio

En matemática la regla del trapecio es un método de integración numérica, es decir, un método para calcular aproximadamente el valor de la integral definida.

La regla se basa en aproximar el valor de la integral de f(x) por el de la función lineal que pasa a través de los puntos (a, f(a)) y (b, f(b)). La integral de ésta es igual al área del trapecio bajo la gráfica de la función lineal.

El en programa.

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