Capitulo 7 HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS
7.4.5 Circuito SN75176
Para lograr la comunicación con el ordenador se elabora una interfase del tipo RS-485, para su elaboración, se utilizan dos circuitos integrados con la matricula SN75176 de Texas Instruments, uno es para la recepción de datos y otro para la transmisión.
Estos dispositivos se encargan de hacer la conversión entre los niveles TTL del microcontrolador y las señales del tipo diferencial que se utilizan el bus RS-485. Vale la pena decir que en el
controlador de transmisión se agregó una línea de habilitación, esto se debe a que todas las salidas de los microcontroladores están conectadas a la línea de recepción del ordenador, así cada uno está siempre deshabilitado para enviar datos y solo se habilitará en el momento en que deba hacer una transmisión, evitando así conflictos o choques de información en la línea o bus de datos, a continuación la sig. Figura hace una breve descripción de este circuito integrado.
[88]
Figura 7.35 SN75176En las termínales VCC y GND se encuentra la alimentación del circuito, que este caso es de +5V. • La terminal R0 y DI recibe un nivel lógico TTL si y solo si la línea RE se habilita y como se
puede observar es con un ‘0’ lógico.
• Las terminales D0 y -D0 reciben también el nombre de A y B y son sobre estas líneas las que forman el Bus de Transmisión y Recepción.
• Como se puede observar, cada chip consta de un transmisor y un receptor, si las terminales RE (Pin 2) y DE (Pin 3) se unen entre si con un solo Bit se puede controlar el flujo de la información.
7.4.6 Convertidor RS-232 a RS-485
Una vez contando con la salida RS-232 del microcontrolador, se procede hacer la conversión a RS-485 con el circuito SN75176. Cabe mencionar que para este proyecto solo se implemento un solo esclavo que fue la Tarjeta de Adquisicion de Datosy Labview vuelve a dar la flexibilidad de soportar ambos estándares de transmisión que se usaron en la implementación del proyecto USB y RS-485.
Para acondicionar la transmisión RS-485, debe existir un circuito que convierta dichas señales al formato RS-232 para que así pueda conectarse en la red el dispositivo maestro, que en este caso es el ordenador, el cual envía o recibe la información. Está tarea implica convertir nuevamente las señales de tipo diferencial a niveles TTL mediante los circuitos integrados SN 75176 y a
continuación un circuito integrado MAX 232, que invierte los niveles lógicos TTL a rangos de +15V y –15 V, los cuales son los niveles de tensión adecuados para el puerto serial.
[89]
Figura 7.36 Convertidor RS-232 a RS-485.[90]
RESULTADOS.
Para cambiar el tipo de riego con el que contaba el invernadero de la SENASICA (manual a automatizado), se hizo una tubería nueva con tubo de PVC hidráulico para reducir los costos (ver figuras 8.1 y 8.2). La tubería es de 14.35 metros para llegar de la cisterna hacia el invernadero. Contamos con una cisterna de aproximadamente 21m3.
Nota: No se pudo tomar bien las medidas de la cisterna ya que está sellada y solo se pueden meter los tubos para la tubería.
.
Figura 8.1. Tubería de la cisterna a la bomba.
[91]
Dentro del invernadero la tubería en total fue de 8m (ver figura 8.3 y 8.4).Figura 8.3. Tubería dentro del invernadero.
Figura 8.4. Tubería dentro del invernadero.
[92]
Figura 8.5. Bomba utilizada para el riego por goteo.
El resultado del riego por goteo fue aceptable, el riego se accionaba dependiendo de la temperatura a la que se encontrara el invernadero y el cultivo, cuando se pasaba por encima del rango de la bacteria que es 31°C se activaba inmediatamente el riego y se desactivaba cuando se llegaba a un rango de humedad mayor al 90%.
Las pruebas para el riego se hicieron en cuatro días, en estos días el sistema funciono de manera correcta. Solo hubo algunos inconvenientes al inicio porque era regular la presión de la bomba para poder siniestrar el agua correctamente.
Para la variable de temperatura en el invernadero, se realizo la investigación de las condiciones de temperatura para la bacteria, con base a ese estudio se selecciono el tipo de sensor a utilizar(LM335), se diseño el circuito para acondicionamiento de la señal entregada por el sensor(ver anexos), para que lo reconociera la TAD.
[93]
Para hacer la prueba de medición de temperatura colocamos dos sensores estratégicamente, los cuales estuvieron a prueba en el invernadero durante 4 días. La posición de los sensores fue uno en la maceta donde está el cultivo y el otro fue en medio del invernadero (suspendido en el aire). Durante ese periodo de prueba se tuvo que ajustar el sensor en su circuito acondicionador de señal, debido a que no realizaba las mediciones correctas, esto se pudo comprobar con un termómetro el cual nos indicaba la temperatura ambiente dentro del invernadero.Después se llevaron a cabo las pruebas con los sistemas de riego e iluminación, las cuales presentaron un funcionamiento correcto. Con temperaturas mayores a los 31 °C se activaba el riego y con temperaturas menores a 22°C se activaba la iluminación, cuando sobrepasaba el rango de temperatura y el riego aumentaba la humedad (mayor al 90%) el sistema respondía accionando el extractor y apagando el riego. Otra de sus características de aplicación del sensor, es que lo trabajamos de manera superficial, ya que solo trabajamos con macetas a no más de 30 cm de profundidad, esta es otra de las razones de la elección de este sensor, ver figura 8.7.
Con el sensor de humedad se realizó un análisis para su selección, basándose en los rangos de humedad del HBL para su supervivencia, además del costo. Las pruebas que se realizaron para observar que el sensor midiera de forma correcta las llevamos a cabo por cuatro días, en donde la respuesta del sensor fue satisfactoria, interactuando de manera eficaz con su sistema de control.
Figura 8.7. Sensor de humedad.
Por otra parte para la lectura de los sensores, se diseño un equipo de adquisición de datos, ver figura 8.8, debido a que, en SENASICA no presentaba ninguna infraestructura que realizara un registro de los valores que se generaban al día dentro de su invernadero.
[94]
Figura 8.8. Equipo de adquisición de datos.
Este equipo cuenta con 11 entradas, 7 salidas en las cuales 3 son con salida de opto acoplador y la demás con salida de relevador, aparte una salida con display LCD, además de que es compatible con Labview (en este caso), se proporcionó a SENASICA un panel de control frontal de manera grafico, en cual podrán visualizar las graficas de las variables de temperatura y humedad. Ver figura 8.9 y 8.10.
[95]
Figura 8.10. Panel de control de humedad.
Todas las variables que se están monitoreando y controlando (en tiempo real), cuentan con su sistema de verificación, aparte de que cada una de las variables ofrecen sus reportes para ser impresos sus resultados de las mediciones.
[96]
Como medida de prevención en el diseño se inserto una display LCD, por si llegara a dañarse la computadora en donde está el panel grafico, en el lcd se podrá ver los valores de las variables, así como accionar manualmente los sistemas de riego y luminosidad. Ya que este presenta una menú con las opciones a utilizar. Ver figura 8.12.Figura 8.12. Panel con LCD.
Canal
Fecha
Tiempo
Temperatura del invernadero
Temperatura ambiente
1
10/11/2010
11:20
23.5
25.3
1
10/11/2010
11:30
23.5
25.6
1
10/11/2010
11:35
23.4
25.4
1
10/11/2010
11:40
23.4
25.2
1
10/11/2010
11:45
23.4
26.1
1
10/11/2010
11:50
23.5
26.1
1
10/11/2010
12:10
23.5
25.8
1
10/11/2010
12:15
23.5
25.6
1
10/11/2010
12:20
23.5
25.7
1
10/11/2010
12:26
23.5
25.6
1
11/11/2010
15:30
28.1
28.7
1
11/11/2010
15:35:00
28.2
29.3
1
11/11/2010
15:40
28.2
29.2
1
11/11/2010
15:45
28.2
29.2
1
11/11/2010
15:50
28.2
29.3
1
11/11/2010
16:00
28.2
29.2
1
11/11/2010
16:10
28.2
29.3
1
11/11/2010
16:15
28.2
29.3
1
11/11/2010
16:20
28.3
29.3
[97]
1
11/11/2010
16:26
28.3
29.2
1
12/11/2010
11:17
24.2
26.3
1
12/11/2010
11:25:00
24.2
26.1
1
12/11/2010
11:35
24.2
26.2
1
12/11/2010
11:35
24.3
26.4
1
12/11/2010
11:45
24.3
26.3
1
12/11/2010
11:50
24.3
26.2
1
12/11/2010
12:00
24.3
26.3
1
12/11/2010
12:04
24.4
26.4
1
12/11/2010
12:15
24.6
26.5
1
12/11/2010
12:26
24.5
26.4
1
13/11/2010
10:17
27.2
30.3
1
13/11/2010
10:25:00
27.1
30.2
1
13/11/2010
10:35
27.1
30.1
1
13/11/2010
10:35
27.1
30.3
1
13/11/2010
10:40
27.1
30.2
1
13/11/2010
10:45
27.2
30.1
1
13/11/2010
10:55
27.3
29.8
1
13/11/2010
11:10
27.3
30.1
1
13/11/2010
11:15
27.1
30.11
1
13/11/2010
11:26
27.3
30.12
Tabla 8.1 Comparación de los resultados de la temperatura ambiente y temperatura del invernadero
Canal
Fecha
Tiempo
Humedad
1
10/11/2010
11:27
90%
1
10/11/2010
11:28
87%
1
10/11/2010
11:29
85%
1
10/11/2010
11:30
80%
1
10/11/2010
11:31
83%
1
10/11/2010
11:32
84%
1
10/11/2010
11:33
87%
1
10/11/2010
11:34
87%
1
10/11/2010
11:35
88%
1
10/11/2010
11:36
86%
1
11/11/2010
12:27
81%
1
11/11/2010
12:28
83%
1
11/11/2010
12:29
83%
1
11/11/2010
12:30
84%
1
11/11/2010
12:31
79%
1
11/11/2010
12:32
79%
1
11/11/2010
12:33
81%
[98]
1
11/11/2010
12:34
84%
1
11/11/2010
12:35
85%
1
11/11/2010
12:36
86%
1
12/11/2010
11:27
86%
1
12/11/2010
11:28
86%
1
12/11/2010
11:29
85%
1
12/11/2010
11:30
88%
1
12/11/2010
11:31
88%
1
12/11/2010
11:32
91%
1
12/11/2010
11:33
91%
1
12/11/2010
11:34
87%
1
12/11/2010
11:35
88%
1
12/11/2010
11:36
85%
1
13/11/2010
10:27
83%
1
13/11/2010
10:28
86%
1
13/11/2010
10:29
87%
1
13/11/2010
10:30
88%
1
13/11/2010
10:31
89%
1
13/11/2010
10:32
90%
1
13/11/2010
10:33
90%
1
13/11/2010
10:34
85%
1
13/11/2010
10:35
87%
1
13/11/2010
10:36
88%
[99]
CONCLUSIONES.
El proyecto de control y monitoreo dentro del invernadero Holandés (Instalaciones SENASICA), fue reproducir las condiciones necesarias de supervivencia de la bacteria Huanglonbing de los Cítricos; estas condiciones de supervivencia son específicamente mantener una temperatura de 22 a 31ºC y una humedad del 90%.
Esta bacteria como lo mencionamos en el Capítulo 2 perjudica extremadamente el sector citrícola de nuestro país, las pruebas que se realizaron dentro de las instalaciones de SENASICA por 4 días, en donde la temperatura y humedad que requería el patógeno se mantuvieron constantes a pesar de que el clima en la zona se modifico en esos días. Pudimos observar que las condiciones con las que la bacteria puede sobrevivir se reproducen satisfactoriamente.
Para la reproducción de la bacteria se requieren de varios meses en los cuales los ingenieros agrónomos harán las pruebas para saber si la bacteria se pudo o no reproducir.
Figura 8.9. Panel de control de temperatura.
Una de las limitantes que se presento para la implementación del sistema fue el presupuesto, la SENASICA solo hizo el préstamo del invernadero, todo el material adicional para la implementación del sistema del proyecto corrieron por nuestra parte, por esta razón tuvimos que buscar la manera de reducir los costos de los sensores, el sistema de riego y de la tarjeta de adquisición de datos. Esta reducción en los costos fue a manera que fuera más económica, pero a la vez que el proyecto presentara una buena calidad, eficiencia y eficacia en el manejo de las variables.
Existen muchos tipos de sensores de temperatura en el mercado, cada uno se ajusta al proceso en el cual interactúa. En nuestro caso elegimos el sensor LM335 que es conocido por su bajo costo, además de ser aproximadamente lineal cubriendo el rango que necesitábamos para la medición del patógeno (como se muestra en la tabla 4.1 del capítulo 4). El sensor tuvo buen funcionamiento, una muy buena precisión y exactitud en las pruebas que hicimos durante los cuatro días de las pruebas.
Una de las características del sensor fue la implementación de un Circuito Acondicionador de Señal (CAS), porque necesitamos que la salida del sensor sea lineal y que esa salida además de ser lineal que comprendiera los rangos establecidos para las entradas del microcontrolador.
[100]
A diferencia del sensor de temperatura, el sensor de humead se consiguió en el mercado, verificando que correspondiera a las necesidades que requeríamos dentro del proceso, hicimos la elección del sensor HMZ-433A de la empresa Ghintro tech, por su bajo costo, su linealidad y porque correspondía al rango de entrada para el A/D del microcontrolador (ver capitulo 4, 4.2 Humedad relativa). Este sensor tuvo un buen funcionamiento y en las pruebas de precisión y exactitud fue muy buena su respuesta.La otra variable controlada que fue la iluminación y no hubo mayor problema, solo se activa cuando requiere una mayor temperatura, pero en las fechas de las pruebas fue en época de calor y no hubo muchas pruebas de la iluminación, esas pruebas serian en los meses de Diciembre a Febrero, que son los meses en donde desciende la temperatura.
Para el sistema de riego localizado, se cambio completamente el sistema tradicional que tenían las instalaciones, retirando las mangueras que servían para el riego dentro del invernadero y cambiándolas por un sistema de riego por goteo localizado. Se colocaron tuberías para que el riego fuera lo más individual posible y por otro lado para el ahorro de agua, de esta manera se ha solucionado un problema que tenia las instalaciones de SENASICA para el riego al no contar con el equipo necesario para poder hacer el riego en forma automática. El riego por goteo es una solución en general, muy óptima para el riego dentro del invernadero, reduce costos, solo riega el agua que necesite la planta y se hace un control muy sencillo.
El sistema de riego es controlado a base de dos variables principalmente, la temperatura y la humedad; estas variables nos indican cuando es necesario el riego, ya sea para decrementar la temperatura o para incrementar la humedad que requería la bacteria (HBL). EL riego es una de los principales elementos para la automatización de un invernadero.
Por otra parte, el desarrollo de este proyecto y de sus elementos adicionales, nos condujo a la necesidad de indagar en conocimientos que anteriormente se tenían de manera trivial, el conocimiento de microcontroladores PIC (específicamente gama 18FXXXX) de manera autónoma se logró con esfuerzo, alcanzando un grado de dominio, a la mejor no al cien por ciento, pero los conocimientos adquiridos cimentaron unas buenas bases.
Gracias a los conocimientos adquiridos se logró un paso muy importante para el desarrollo de este proyecto, el diseño de la Tarjeta de Adquisición de Datos. LA Tad es el puente principal para que la computadora o específicamente LabView entienda lo que está sucediendo a su alrededor; la tarjeta cuenta tanto con salidas analógicas como salidas digitales, el acoplamiento que se pensó en la implementación fue que el desarrollador utilice a su conveniencia las salidas, las salidas digitales se puedan usar como salidas de ancho de pulso (PWM), ya sea para aplicarlo a lámparas, motores, bombas, válvulas, etc. Las salidas analógicas se pensaron para que se pueda implementar un control on/off.
Con respecto al software LabView es una plataforma de desarrollo que con la práctica se convierte en una herramienta poderosa, tanto en monitoreo como en control. Los Vis que usa LabView nos facilitaron el trabajo de programación, ya que sencillamente se colocaron los Vis correspondientes a lo que se deseaba y el trabajo automáticamente lo realizó.
El acoplamiento de ambas herramientas tanto el PIC18F4550 como LabView, se integraron a una infinidad de proyectos que hoy en día están a disposición de los usuarios, solo cabe resaltar que esta tarjeta a comparación de las que diseña National Instrument varia demasiado en precio y en desempeño, también de que la TAD arbitrariamente no solo puede trabajar con el ambiente de
[101]
lenguaje G, sino que se puede ocupar para distintos lenguajes de programación como puede ser Visual Basic, Java, etc.La construcción de la Tarjeta se pensó que abarcaría un amplio campo de aplicaciones, después de su construcción nos pudimos dar cuenta que tanto para la enseñanza educativa como para aplicaciones industriales. La Tad es una herramienta de eficiente desarrollo, y en aprendizaje verdaderamente excepcional; para la parte educativa, a los usuarios les serviría mucho tener este dispositivo en sus laboratorios de práctica, ya que podrían evitarse estar diseñando circuitos en Protoboard o con diseños de PCB; con la TAD se enfocarían en la programación y la explotación de los recursos que la tarjeta brinda; de igual manera para las aplicaciones industriales, es una herramienta básica para el monitoreo y control de sus procesos en sus sistemas Scada.
Y como conclusión final podemos decir que aunque el sistema solo se incorporo a un cubículo dentro del invernadero (antes descrito), con un mayor presupuesto se podría incluir la automatización del invernadero completo.
[102]
A.1. LINEALIZACIÓN DE UNA FUENTE DE VOLTAJE CON UN CIRCUITO
ACONDICIONADOR DE SEÑAL (CAS)
Sensor de Temperatura.
Para el diseño del circuito para sensar la temperatura se baso en el libro Coughlin Robert F., Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Prentice Hall 1999. Para esta aplicación se usara el circuito LM335, un sensor de temperatura de estado sólido que pertenece a una familia de dispositivos que posee una sensibilidad de 10 mV/ºK. Se usa en el caso de aplicaciones en las que se necesita medir temperaturas entre -10 y 100ºC, su diseño es similar al Zener de dos terminales. El estilo de encapsulado y el modelo se muestran en la figura A1.1 (a) y A1.1 (b), respectivamente. Este dispositivo puede funcionar por encima de un rango de corriente comprendido entre 400 y 5 µA. En la hoja de datos correspondientes al LM335 se observa que la sensibilidad del dispositivo es de 10 mV/ºK. Sin embargo, en el caso de nuestra aplicación lo que deseamos es medir grados Celsius. La relación que existe entre grados Kelvin y grados Celsius es la siguiente: una elevación de 1 grado en la escala de kelvin es igual a una elevación de 1 grado en la escala Celsius y el punto de congelación del agua es de 0ºC, y equivale a 273ºK.
Figura A.1. Linealización de una fuente de voltaje con un Circuito Acondicionador de señal (CAS)
La ecuación que representa al sensor. En la A1.2 se muestra una grafica del voltaje de salida del LM335 en función de la temperatura. La pendiente de la línea equivale a la sensibilidad del dispositivo: 10mV/ºK. Por lo tanto, el voltaje de salida expresado en ºK es el siguiente:
En la cual T es la temperatura en ºK. A 273º (0ºC), el voltaje del sensor es:
[103]
Figura A1.2. Grafica del voltaje en función de las características
Ahora es posible expresar el voltaje de salida del sensor en grados Celsius como en la siguiente ecuación:
En donde T es la temperatura expresada en grados Celsius. En el caso de nuestra aplicación, a 0ºC y a 50ºC . Este es el margen de voltaje de entrada correspondiente al CAS. El margen de salida del CAS viene a ser el margen de entrada del convertidor A/D, el cual esta comprendido entre 0 y 5 V. en la figura A1.3 se muestra el diagrama de bloques de este sistema de adquisición de datos para la medición de temperatura.
La ecuación que describe el comportamiento del SCC. Con base en la información de que disponemos sobre el sensor y el convertidor A/D, se grafican las características de entrada/salida del CAS. En la figura A1.3 se muestra esta grafica. Los valores de salida del CAS se grafican en el eje y. Hay que tener presente que estos valores corresponden al margen de voltaje del convertidor A/D de 0 a 5V. Los valores de entrada del CAS se grafican en el eje x. Estos valores son los del margen de voltaje del sensor -2.73 V a 3.23 V, en el caso de esta aplicación.
[104]
Figura A1.3. Diagrama a bloques del sistema medidor de temperatura. Con sus características de entrada y salida
Ese valor de 10 es la ganancia por la que hay que multiplicar . La desviación de cd se encuentra con solo elegir u punto de la línea y sustituirlo en la ecuación de la línea recta; . Después de elegir un par de coordenadas (273,0) se obtiene:
Resolviendo la ecuación para b se obtiene:
Por lo tanto, la ecuación de voltaje de salida del CAS es:
Diseño del circuito acondicionador de señal. Una vez conocida la ecuación del CAS, expresada en la forma y=mx+b, ahora deseamos un circuito en el que la ganancia de 10 y la desviación de - 27.3 V se definan de manera independiente. Lo que se necesita es un amplificador operacional como el que se muestra en la figura A1.4: un amplificador inversor con ganancia de -1 seguido por un sumador inversor. La ecuación general del voltaje de salida del sumador es:
Con base en la correspondencia de los coeficientes de en la ecuación anterior se obtiene:
Si se elige , entonces . Correlacionando los términos correspondientes a la desviación de cd de las ecuaciones anteriores se obtiene:
[105]
Ecd se conecta a la fuente de +15 V. Dado que Ω, entonces Ω. Observarque Ecd es un voltaje positivo y que es un voltaje negativo que está a la entrada del sumador inversor. Dado que el LM335 genera voltaje positivo, , el amplificador inversor con ganancia de - 1 se utiliza para generar , como se muestra en el circuito ya completo de la figura A1.4.
Figura A1.4. Diseño del CAS para el sensor de temperatura.
Circuito del sensor de temperatura con el LM335
Una vez que se sabes del funcionamiento del circuito sensor de temperatura, se procede a elaborar el circuito en PCB para su implementación física, para elaborar este diseño en PCB,