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circuitos
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UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA DE
HONDURAS
Proyecto Circuitos I
Automatización de llenado de tanque cisterna.
Ing. José Antonio Córdova Tejada
05/04/2014
Joel Ramos
Carlos Reyes
Arnulfo Sing
Miguel Rodríguez
Jorge Castro
0
Contenido
Introducción ----------------------------------------------------------------------------------- 3
Objetivo General ----------------------------------------------------------------------------- 4
Objetivos Específico ------------------------------------------------------------------------ 5
Metodología ----------------------------------------------------------------------------------- 6
Arduino “Uno R3” ---------------------------------------------------------------------------- 7
¿Qué es Arduino? ----------------------------------------------------------------- 8
Transistores ----------------------------------------------------------------------------------- 9
Historia del Transistor ------------------------------------------------------------ 10
Tipo de Transistores -------------------------------------------------------------- 10
Transistor de contacto puntual --------------------------------------- 11
Transistor de unión bipolar -------------------------------------------- 12
Transistor de efecto de campo --------------------------------------- 13
Bomba Hidráulica --------------------------------------------------------------------------- 14
Tipos de Bombas ------------------------------------------------------------------ 15
Sensor de Humedad ----------------------------------------------------------------------- 17
Sensores y Principales de funcionamiento ------------------------------------------- 19
Bulbos húmedo y secos --------------------------------------------------------- 19
Sensores de condensación ----------------------------------------------------- 21
Sensores electrolíticos ----------------------------------------------------------- 22
Sensor por conductividad ------------------------------------------------------- 23
Sensores infrarrojos -------------------------------------------------------------- 24
1
Desarrollo del circuito --------------------------------------------------------------------- 25
Conexión de Interruptores al Arduino Uno R3 ---------------------------- 27
Conexión de los diodos LED -------------------------------------------------- 27
Conexión del Sensor de agua ------------------------------------------------ 28
Conexión del transistor c2233 y Relay SRD -5VDC -------------------- 29
Descripción de las corrientes del dispositivo ----------------------------- 30
Diagrama electrónico del circuito -------------------------------------------- 31
Vista del ensamblado del circuito -------------------------------------------- 31
Código del Circuito -------------------------------------------------------------- 33
Análisis FODA ----------------------------------------------------------------------------- 36
Situación Actual --------------------------------------------------------------------------- 37
Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------- 38
Recomendaciones ------------------------------------------------------------------------ 39
Anexos --------------------------------------------------------------------------------------- 40
2
Introducción
El siguiente trabajo describiremos la creación e implementación de sensores
electrónicos para automatizar el proceso de llenado de un tanque cisterna el
cual lograremos el funcionamiento con distintos dispositivos aplicables a
diferentes industrias en nuestro país.
3
Objetivo general
Poner en práctica los distintos temas de circuitos aprendidas en la clase y
llevarlas a la práctica para que de esta manera podamos lograr aclarar,
despejar y resolver posibles incógnitas que se nos presenten en un futuro
con este tipo de circuitos.
4
Objetivos específicos
Determinar mediante un dispositivo electrónico cuando el llenado de
agua al tanque este de modo automático.
Eficientar el uso de energía, No invirtiendo más energía de la
necesaria en caso que se nos olvidara apagar el motor que impulsa el
agua.
Comprobar que si es posible realizar, por nuestra propia cuenta, un
sistema de manejo de llenado de cisterna que no utilice un medio
alternativo constante de energía.
5
Metodología
Etapa 1
Se decidió desarrollar un método para que el apagado del motor que impulsa
el agua potable que se almacenara en el tanque cisterna para esto con el fin
de poder eficientar el ahorro de energía.
Etapa 2
Se realizó una lluvia de idea para analizar que dispositivo sería el más
adecuado para realizar la automatización.
Etapa3
Después de un análisis profundo sobre técnicas se selección la técnica
logística lo cual será aplicable en un hogar de la ciudad de El Progreso, Yoro.
Etapa 4
Se realizó la primera visita a la casa de habitación para hacer el estudio
correspondiente el jueves 20 de marzo del año 2014, donde determinamos
los objetivos y la posibilidad que teníamos en realizar este proyecto.
Etapa 5
Se analizaron y comprobaron la información recopilada luego se prosiguió a
implementar el mecanismo seleccionado para resolver dicho problema. Se
desarrolló una serie de procesos en base a la información recopilada,
obteniendo los resultados esperados.
6
Arduino “uno R3”
Historia de ArduinoArduino se inició en el año 2005 como un proyecto para estudiantes en
el Instituto IVREA, en IvreaItalia. En ese tiempo, los estudiantes usaban el
microcontrolador BASIC Stamp, cuyo costo era de 100 dólares
estadounidenses, lo que se consideraba demasiado costoso para ellos.
El nombre del proyecto viene del nombre del Bar di Re Arduino que es
español seria “Bar del Rey Arduino” donde MassimoBanzi pasaba algunas
horas. En su creación, contribuyó el estudiante colombiano Hernando
Barragán, quien desarrollo la tarjeta electrónica Wiring, el lenguaje de
programación y la plataforma de desarrollo.
Una vez concluida dicha plataforma, los investigadores trabajaron para
hacerlo más ligero, más económico y disponible para la comunidad de fuente
abierta. El instituto eventualmente cerró sus puertas, así que los
investigadores, entre ellos el español David Cuartielles, promovieron la
idea. Banzi afirmaría años más tarde, que el proyecto nunca surgió como una
idea de negocio, sino como una necesidad de subsistir ante el inminente
cierre del Instituto de diseño Interactivo IVREA. Es decir, que al crear un
producto de hardware abierto, éste no podría ser embargado.
Posteriormente, Google colaboró en el desarrollo del Kit Android ADK
(AccesoryDevelopment Kit), una placa Arduino capaz de comunicarse
directamente con teléfonos celulares inteligentes bajo el sistema
operativo Android para que el teléfono controle luces, motores y sensores
conectados de Arduino.
Para la producción en serie de la primera versión se tomó en cuenta que el
costo no fuera mayor a 30 Euros, que fuera ensamblado en una placa de
color azul, debía ser Plug and Play y que trabajara con todas las plataformas
7
informáticas tales como MacOSX, Windows y GNU/Linux. Las primeras 300
unidades se las dieron a los alumnos del Instituto IVRAE, con el fin de que
las probaran y empezaran a diseñar sus primeros prototipos.
En el año 2005, se incorporó al equipo el profesor Tom Igoe, quien ha
trabajado en computación física, luego de que se enterara del mismo a
través de Internet. Él ofreció su apoyo para desarrollar el proyecto a grandes
escalas y de hacer los contactos para distribuir las tarjetas en territorio
estadounidense. En la feria MakerFair del 2011 se presentó la primera placa
Arduino 32 Bit para trabajar tareas más pesadas.
¿Qué es Arduino?
Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de
prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó
para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear
entornos u objetos interactivos.
Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de
entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea
controlando luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la
placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino
(basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado
en Processing). Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin
necesidad de conectar a un ordenador, si bien tienen la posibilidad de
hacerlo y comunicar con diferentes tipos de software.
Las placas pueden ser hechas a mano o compradas y montadas de fábrica;
el software puede ser descargado de forma gratuita. Los ficheros de diseño
8
de referencia (CAD) están disponibles bajo una licencia abierta, así pues
eres libre.
Arduino recibió una Mención Honorífica en la sección Digital Communities de
la edición del 2006 del ArsElectronicaPrix. El equipo Arduino es conformado
por: MassimoBanzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino,
and David Mellis.Credits
Transistores
Un transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para
producir una señal de salida en respuesta a otra señal de entrada.
Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El
término “transistor” es la contracción en ingles de transfer resistor que
significa resistencia de transferencia, Actualmente se encuentran
prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario como ser:
radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo,
computadoras, lámparas fluorescentes, teléfonos celulares, etc.
Historia del transistor
9
El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en
diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter HouserBrattain y William
Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio
Nobel de Física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres
electrodos, o triodo.
El transistor de efecto de campo fue descubierto antes que el transistor
(1930), pero no se encontró una aplicación útil ni se disponía de la tecnología
necesaria para fabricarlos masivamente.
Es por ello que al principio se usaron transistores bipolares y luego los
denominados transistores de efecto de campo (FET). En los últimos, La
corriente entre el surtidor o fuente (source) y el drenaje (drain) se controla
mediante el campo eléctrico establecido en el canal. Por último, apareció el
MOSFET (transistor FET de tipo Metal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET
permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los
circuitos altamente integrados (CI).
Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con tecnología CMOS. La
tecnología CMOS (Complementary MOS ó MOS Complementario) es un
diseño con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se
complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en un
funcionamiento sin carga.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas
artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades
específicas) que forman dos uniones bipolares, el emisor que
emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está
intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores
(base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado
por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de
circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia
10
de los resistores, condensadores e inductores que son elementos pasivos.
Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica.
De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es función
amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa
la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente
continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según
el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado
entre corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del
transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada
tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base
Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia
de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales
como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor,
corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas (configuraciones)
básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común,
colector común y base común
Tipos de transistor
Transistor de contacto puntual
Llamado también «transistor de punta de contacto», fue el primer transistor
capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter
Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces
mejor conocido que la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la que se
apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el
colector. La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se ven
el colector, de ahí el nombre de transfer resistor. Se basa en efectos de
superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se
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ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin
embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su
mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.
Transistor de unión bipolar
El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica
básicamente sobre un mono cristal de Germanio, Silicio o Arseniuro, que
tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio
entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre
el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos
de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos
uniones NP.
La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la
zona P de aceptadores o «huecos» (cargas positivas). Normalmente se
utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al)
o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo(P).
La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o
NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la
base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y
de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por
lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá
de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología
de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento
cuántico de la unión.
12
Transistor de efecto de campo
El transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de
efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material
semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se
establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo
tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de
material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A
uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador.
Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando la
puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos
corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de
puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en
el canal.
El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla
la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.
Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una
unión PN.
Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la
compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-
Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está
separada del canal semiconductor por una capa de óxido.
Bomba hidráulica
Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía
(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del
fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o
13
una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de
fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta
su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según
el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la
presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el
fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o
altitud.
Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que
generalmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que
transfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no
alteran la densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas
como lo son los compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y
no la hidráulica. Pero también es común encontrar el término bomba para
referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son
las bombas de vacío o las bombas.
Tipos de bombas
Según el principio de funcionamiento
La principal clasificación de las bombas según el funcionamiento en que se
base:
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Bombas de desplazamientos positivos o volumétricos, en las que el
principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el
aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras
que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano
propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo
que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el
volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable.
Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de
volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en
Bombas de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios
compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un
émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido
es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por
válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este
tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de
pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.
Bombas volumétricas rotativas o roto estáticas, en las que una masa
fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan
desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de
alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas
son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes,
la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.
Bombas roto dinámicas, en las que el principio de funcionamiento está
basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el
fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios
rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido.
En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas turbo
máquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:
15
Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una
trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor.
Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo
una trayectoria contenida en un cilindro.
Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza
en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el
eje del rodete.
Sensor de Humedad
Este sensor es una buena idea para proyectos de invernadero ó
automatización de casas.
Cuenta con una placa que al entrar en contacto va creando una resistencia
en el momento que es suficiente el circuito se cierra y manda la señal
16
Cuenta con un potenciómetro con el cuál puedes ajustar la cantidad de agua
que desees (mayor resistencia).
Características
• Cuenta con un potenciómetro puedes regular la cantidad de agua
• Sencilla interfaz de 3 pines
• 3V-5V
Existen varios tipos de Sensores de humedad, según el principio físico que
siguen para realizar la cuantificación de la misma.
Tipos
Mecánicos: aprovechan los cambios de dimensiones que sufren ciertos
tipos de materiales en presencia de la humedad. Como por ejemplo:
fibras orgánicas o sintéticas, el cabello humano,...
Basados en sales higroscópicas: deducen el valor de la humedad en el
ambiente a partir de una molécula cristalina que tiene mucha afinidad con
la absorción de agua.
Por conductividad: la presencia de agua en un ambiente permite que a
través de unas rejillas de oro circule una corriente. Ya que el agua es
buena conductora de corriente. Según la medida de corriente se deduce
el valor de la humedad.
Capacitivos: se basan sencillamente en el cambio de la capacidad que
sufre un condensador en presencia de humedad.
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Infrarrojos: estos disponen de 2 fuentes infrarrojas que lo que hacen es
absorber parte de la radiación que contiene el vapor de agua.
Resistivos: aplican un principio de conductividad de la tierra. Es decir,
cuanta más cantidad de agua hay en la muestra, más alta es la
conductividad de la tierra.
Sensores y principios de funcionamiento:
Sensores mecánicos (por deformaciones)
La idea de este tipo de sensores, es aprovechar los cambios en las
dimensiones que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la
humedad. Los más afectados son algunas fibras orgánicas y sintéticas, como
por ejemplo el cabello humano. Al aumentar la humedad relativa, las fibras
aumentan de tamaño, es decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser
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amplificada de alguna manera (por palancas mecánicas, o circuitos
electrónicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la
humedad relativa.
Bulbos húmedo y seco
Este psicrómetro se basa fundamentalmente en la medición de temperatura,
para a partir de ella deducir la cantidad de agua evaporada presente en una
mezcla gaseosa. La idea consiste en disponer de 2 termómetros lo más
idéntico posibles, con uno de ellos se debe medir la temperatura de la
mezcla (temperatura de bulbo seco), y con el otro, la temperatura en la
superficie de una película de agua que se evapora en forma adiabática
(temperatura de bulbo húmedo), esto se logra envolviendo el bulbo de uno
de los Termómetros con un algodón humedecido con agua (de ahí el nombre
de la variable). Las moléculas de agua presentes en el algodón absorberán
la energía necesaria para evaporarse del bulbo del termómetro, bajando la
temperatura del mismo algunos grados por debajo.
Comparado con la temperatura del termómetro seco. Al conocerse el valor
de ambas variables es posible determinar la humedad relativa, basta recurrir
a las ecuaciones, tablas o gráficos psicométricos. En un ambiente saturado,
la cantidad de moléculas que se evaporan del bulbo húmedo son
equivalentes a las que se condensan en él, por lo que ambos termómetros
registran temperaturas idénticas. En la figura 3 se puede apreciar un
diagrama explicativo de cómo se relacionan las variables que intervienen en
la medición.
Cabe señalar que en la actualidad ya no se emplean algodones ni
termómetros convencionales, sino más bien mechas que envuelven termo-
19
cuplas o termo-resistencias (de platino) conectadas con algún recipiente de
agua que gracias al fenómeno de la capilaridad se mantienen húmedas. En
algunos casos la mecha se puede ensuciar, alterando la capilaridad del
material. Por ello se emplean también dispositivos cerámicos porosos que
envuelven el bulbo y están en contacto con el agua
Este sensor requiere también una circulación de aire con una velocidad de
3[m/s], para que la medición no corresponda a una humedad relativa
localizada alrededor de los termómetros, para ello se pueden emplear
ventiladores. Con este tipo de medición se logran valores de Hr de sólo 0.5%
de error, sin embargo su flaqueza radica en que introduce vapor de agua al
ambiente que se desea medir, lo cual en algunos procesos puede ser un
inconveniente. Los rangos de operación van de 0% a 100% de humedad
relativa, y de 0[ºC] a 90[ºC].
Sensores por condensación
Como ya se enunció anteriormente, otra variable que nos permite calcular Hr
es la temperatura de punto de rocío. Se hace circular la mezcla gaseosa por
una cámara provista en su interior de un espejo. El cual puede ser enfriado o
calentado por un equipo de refrigeración o calefactor respectivamente, con
la finalidad de poder lograr que el vapor se condense en el espejo o el agua
se evapore de él. Además se cuenta con una fuente luminosa que es
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proyectada sobre el espejo, el cual refleja el haz hacia una foto-resistencia.
La luz también incide en una segunda foto-resistencia en forma directa. Se
tiene entonces una medición de la intensidad luminosa real, y una
distorsionada según la cantidad de condensación presente en el espejo , el
error entre ambas es amplificado y sirve de actuación sobre el regulador de
potencia que controla el calefactor, en resumen es un lazo cerrado de control
que logra temperar la superficie del espejo hasta llegar al punto de rocío,
basta medir el valor de la temperatura superficial y acudir a las ecuaciones,
tablas o gráficos psicométricos para obtener Hr. En la figura 6 se aprecia un
diagrama que relaciona las variables involucradas
Sales higroscópicas
Una sal higroscópica (cloruro de litio por ejemplo), es una molécula cristalina
que tiene gran afinidad con la absorción de agua. En la figura 7 se ilustra un
sensor que utiliza este fenómeno para deducir el valor de la humedad en el
ambiente. El sensor está compuesto por un tubo metálico, rodeado de un
tejido de fibra de vidrio, que a su vez se encuentra impregnado de una
solución salina saturada (higroscópica) compuesta de cloruro de litio y agua.
Hay dos alambres de oro que rodean el manto de fibra (sin cruzarse), los
cuales se encuentra inmersos en la solución, se encuentran con sus
extremos abiertos, pues la solución se encarga de cerrar el circuito. La
solución de cloruro de litio se comporta como un conductor ideal, debido a la
disociación iónica que sufre en presencia de agua, por lo que se puede
considerar que los hilos de oro se encuentran cortocircuitados. Por ello se
dispone de una resistencia R, limitadora de corriente.
Por disipación de potencia la resistencia libera energía en forma de calor,
evaporando el agua de la solución salina. Baja entonces la concentración de
21
iones, a medida que se evapora el agua, quedando cristales salinos. Por ello
se reduce la conductividad eléctrica, y disminuye el calor disipado
evaporándose menos agua. Pero al formarse cristales se está invirtiendo el
proceso, iniciándose la reabsorción del fluido, la idea es que se llegue a un
punto de equilibrio, en que la cantidad de agua evaporada por aumento de
temperatura equipare la cantidad de agua absorbida por los cristales. La
temperatura de equilibrio lograda es transmitida por el tubo metálico hacia el
interior de éste, donde es medida por un termo-resistencia (de platino). La
temperatura es proporcional al punto de rocío, finalmente basta calibrar el
sensor para obtener mediciones correctas.
Sensores electrolíticos:
Se sabe que una molécula de agua puede descomponerse por electrólisis,
cuando esto ocurre se liberan dos electrones por molécula, la idea entonces
es producir la electrólisis de las moléculas de agua presentes en el gas, y
medir la corriente que se genera cuando aquello ocurre.
Sensores por conductividad
Si se tiene una superficie cualquiera en presencia de una mezcla gaseosa
con vapor de agua, siempre habrá cierta cantidad de moléculas de agua
presentes en dicha superficie. La presencia de agua permite que a través de
la superficie circule una corriente, en ello se basan los sensores por
conductividad. Se dispone de una superficie pulida, no conductora, sobre la
22
cual se posicionan dos rejillas de oro entrelazadas, sin tocarse. Según sea la
Hr presente, habrá una cantidad de moléculas de H2O proporcional a ella.
Luego al ser conectados los alambres de oro a una diferencia de potencial
continua, se producirá una corriente que estará en directa relación con la
cantidad de moléculas presentes en la superficie. Se debe conectar un
amperímetro en serie para poder registrar la corriente generada. La
resistencia R, es una medida de seguridad en caso de cortocircuitos. Basta
calibrar el sensor para obtener medidas de humedad de la mezcla. Al igual
que la mayoría de los sensores anteriores se debe proporcionar un flujo de la
muestra, para que la medición sea válida. Este sensor no es muy útil, dado
que la superficie puede ensuciarse, y no se obtiene un rango de medición
grande. El diagrama que ilustra las relaciones entre las variables
involucradas, es similar al de la figura 10. Solo cambia la película
higroscópica por una superficie no conductora.
Sensores infrarrojos
Las moléculas (cualesquiera), no son estructuras rígidas e inmóviles, poseen
movimientos rotatorios alrededor del centro de masa, y movimientos
vibratorios (de sus componentes atómicos), similares a un movimiento
armónico simple. Ambas energías, tanto la rotatoria como la de vibración
23
están cuantizadas, y para que la molécula pase de un nivel energético a otro
se requiere por lo tanto, de una cantidad de energía específica, que depende
del tipo de molécula que se esté considerando. Lo anterior origina la teoría
de Automatización Industrial Sensores De Humedad espectros moleculares.
Dado que las ondas electromagnéticas poseen cierta cantidad de energía
dependiendo de la longitud de onda de la misma, las moléculas absorberán o
emitirán ondas de frecuencias muy específicas, cuya energía sea equivalente
a las transiciones energéticas que presente la molécula.
24
Desarrollo del Circuito
Paso 1: Breve explicación del uso de los principales componentes.
Arduino UNO R3: este circuito actuara como secuenciador y ejecutor
principal de todo el circuito; a él estarán conectadas las tomas del
sensor de agua, transistor, interruptores y LED’s que se usaran en el
mando del circuito. (ver Anexo 1)
Transistor C2233: este componente será el interruptor entre el mando
del Arduino UNO R3 y el voltaje de activación hacia el relay. El
Arduino UNO R3 no maneja el voltaje necesario para activar el relay
de este u otra capacidad, por lo que se usara una fuente externa para
su activación y que solo el transistor C2233 puede manejar (ver Anexo
2)
Relay SRD-5VDC-SL-C SONGLE: a este dispositivo se conectada la
fuente que se desea active la bomba de llenado de cisterna, este
dispositivo soportara la fuente ya sea de 110v o 220v a un máximo de
10 o 15 A. (ver Anexo 3)
Adaptador Universal AC/DC DV 5467 NA: adaptador de corriente con
voltaje variable (en nuestro caso, fijado a 4.5v) cuyo único propósito
es accionar el relay SRD-5VDC-SL-C SONGLE. (ver Anexo 4)
Interruptores de Timbre: dos de estos interruptores serán utilizados
para dos únicos propósitos: encendido automatico y apagado manual
del circuito. Al ser interruptores de timbre, estos hacen la misma
función que un interruptor tipo pull-up que regresar a su estado
original al dejar de ser presionados, haciendo un circuito cerrado
únicamente al mantenerse presionados. (ver Anexo 5).
25
LED’s: dos de estos diodos de iluminación serán utilizados para
representar los dos únicos estados de operación del circuito: LED rojo
indicara la operación de “Llenando tanque o cisterna” y un LED verde
indicara el estado de “Tanque Llenado”. Al ser de muy bajo consumo
de energía el Arduino UNO R3 puede manejar perfectamente estos
componentes. (ver Anexo 6).
Breadboard: plataforma de conexión de componentes eléctricos de
varios tamaños, a este dispositivo se conectaran todos los
componentes del circuito. Contiene dos aéreas principales: el área de
llegada de fuente o de conexiones de fuentes (con sus terminales
positivas y negativas) que se encuentran en los extremos y el área de
conexión de componentes, que se encuentran en la parte centrar. La
primera área se conecta el cableado de forma vertical mientras que la
segunda se conecta de forma horizontal, tomándolo de forma vertical.
(ver Anexo 7)
Sensor de Agua Phantom YoYo: este será el dispositivo que servirá
de detector de agua de quien el Arduino UNO R3 tendrá lecturas para
decidir si apagar la bomba de llenado de cisterna y esperar hasta el
llenado. Este circuito es muy alta sensibilidad algo para lo que el
Arduino UNO R3 está capacitado para obtener lecturas. (ver Anexo 8).
Resistores de 220 Ohm y de 10 Kohm: dos resistores de 220 Ohm
serán utilizados para cada LED indicador y otros dos resistores de 10
Kohm serán utilizados para los dos interruptores de timbre. (ver Anexo
9).
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Paso 2: Conexión de los Interruptores al Arduino UNO R3
El siguiente paso para iniciar el ensamblado del circuito es el de la conexión
de los interruptores de timbre o tipo pull-up que servirán como actuadores del
arranque o apagado del circuito. En el Anexo 9: Conexión del interruptor, se
muestra la conexión básica de un interruptor a los contactos del Arduino
UNO R3. Esta conexión incluye un resistor de 10 Kohm para cada interruptor
ya que el Arduino UNO R3 solo necesita una pequeña carga de energía
proveniente del interruptor para detectar que se ha presionado. Al hacer esto,
el circuito evalúa el valor de la conexión y luego la almacena para su
procesamiento en el código de instrucciones, aspecto que será estudiado
más adelante.
Los pines de contacto del Arduino UNO R3 que serán utilizados para estos
dos interruptores serán: 2 y 4.
Paso 3: Conexión de los diodos LED’s al Arduino UNO R3
Los diodos LED’s sirven como luces de notificación en el circuito que revelan
los únicos dos estados de este: Tanque llenado y Tanque lleno. Para estos
se utilizan dos diodos LED de color rojo para indicar la operación de llenando
y el LED verde para indicar el llenado del tanque. En el Anexo 11: Conexión
de diodos LED’s se puede apreciar una forma sencilla de conectar diodos
LED’s al circuito; para cada uno de estos diodos se utilizara una resistencia
de 220 Ohm para frenar el paso de la corriente, así como se muestra en la
figura.
Los pines de contacto del Arduino UNO R3 que serán utilizados para estos
dos diodos LED’s serán: 7 y 8.
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Paso 4: Conexión del sensor de agua Sensor de Agua Phantom YoYo.
El sensor de agua es el componente principal del circuito ya que este será
el encargado de detectar agua. En realidad no es únicamente un sensor de
agua: la tecnología de detección de corrientes de muy baja intensidad hace
que este circuito incluso pueda ser accionado con el solo hecho de apretarlo
con los dedos; esto sucede debido a que todos los componentes aunque
sean aislantes conducen muy extremadamente pequeñas cantidades de
electricidad y este sensor está diseñado para detectar hasta incluso la más
leve cantidad de electricidad que conduce un cuerpo.
En el Anexo 12: Conexión del sensor de agua, se puede observar la forma
de conectar el sensor de agua en el Arduino UNO R3. El sensor posee tres
conexiones: polos positivos y negativos (tierra) de la fuente de energía del
Arduino UNO R3 de 5v DC y un pin de datos, que son los que el circuito lee
cada ciclo programado para obtener los valores de contacto de agua.
Internamente, a nivel de código, el procesador AT Omega del circuito
entiende un rango de lectura que va desde 0 (no se detecta agua) hasta 651
(máximo nivel de agua detectado) que corresponde a sumergir por completo
el sensor de agua en cualquier fuente de agua. Para fines de seguridad y de
detección de agua aceptables, este valor de detección se ha fijado en 300
para asegurar que no sea un error de lectura de cualquier otro tipo de
contacto o si se trata de una falla de alteración de voltaje proveniente.
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Paso 5: Conexión del transistor C2233, el Adaptador Universal AC/DC DV 5467 NA y el Relay SRD-5VDC
Como se explico anteriormente: este transistor servirá como actuador o
interruptor entre la fuente suministrada por el Adaptador Universal AC/DC DV
5467 NA y el relay SRD-5VDC-SL-C SONGLE quien será quien encienda o
apague la bomba de nuestro proyecto. En resumen, el dejar pasar una
pequeña corriente proveniente del Arduino UNO R3 hacia dos pines de
contacto del transistor, este dejara pasar una carga aun mayor de energía
proveniente del transformador universal hacia el Relay SRD-5VDC.
El transistor C2233, como todo otro transistor, a llevarse a este estado de
saturación o de activación, produce cierta cantidad de calor que depende de
las condiciones en las cuales se ejecuta, las temperaturas pueden variar
desde 0 grados C hasta 170 grados C, en nuestro caso, debido a que el
voltaje de saturación es de apenas 4.5 V a 210 mA y el voltaje de paso es de
5.0V a 500 mA no fue problema en absoluto el aspecto de la temperatura,
llegando a un mínimo de 40 grados C y un máximo de 47 grados C. En la
mayoría de los casos donde la temperatura excede los 70 grados C es
recomendable usar un disipador de calor y en el peor de los casos usar una
ventiladora adaptada a este disipador en orden de mantener la temperatura
lo más baja posible.
El diagrama de conexión de estos tres componentes se aprecia en el Anexo
13: Conexión del Transformador DV 5467 NA, Transistor C2233 y el Rele
SRD 5VDC. (Este diagrama se hizo con la aplicación SmartDraw CI.)
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Paso 6: Descripción de las corrientes de los dispositivos principales.
A continuación damos a conocer una breve descripción de los voltajes que
cada dispositivo utiliza en el circuito; todos estos voltajes son provenientes
de la fuente del Arduino UNO R3 que trabaja con 5.0 V a excepción del
Transformador DV 5467 NA que trabaja con 4.5 V:
LED’s indicadores (rojo y verde): 5.0 V / 220 Ohm otorga una
corriente total de 0.0227 A.
Interruptores de timbre o pull-up: 5.0 V / 10 Kohm otorga una
corriente total de 0.0005 A, la razón de esta tan baja corriente es que
el Arduino UNO R3 solo necesita una muy pequeña cantidad de
corriente para detectar que cualquiera de estos interruptores se ha
presionado, se puede utilizar cualquier resistor en el rango de 1
Mohm hasta 10 Kohm para el correcto funcionamiento de los
interruptores.
Transistor C2233: recibe todo el voltaje otorgado por el Arduino UNO
R3 para su activación, las especificaciones indican que es
exactamente 5.0 V a 210 mA.
Rele SRD 5VDC: recibe todo el voltaje proveniente del
Transformador DV 5467 NA, 4.5 V a 500 mA. Este voltaje es
levemente afectado por la carga de saturación total que deja pasar el
transistor C2233 al momento de llevarlo a la saturación en un
aproximado de 10% a 15% de su voltaje de saturación, afectando
levemente la corriente que llega al Rele pero sin ocasionar problema
alguno.
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Paso 7: Diagrama electrónico completo del circuito:
En el Anexo 14: Diagrama Electrónico Completo del Circuito se da una
visión general de todos los componentes. Por asunto de funcionalidad de la
misma aplicación (SmartDraw CI) no se puede incluir un circuito Arduino en
diseño del circuito; por esta razón el Arduino UNO R3 será representado por
una fuente (-5V Arduino) y por un circuito integrado (+5V Arduino) que
representan los pines de salida y entrada del Arduino UNO R3 hacia todos
los demás componentes.
La entrada analógica, pin 16 en este caso, es en realidad la
correspondiente a la entrada A0 del circuito Arduino ubicada en la parte
inferior izquieda de este, no en la parte derecha superior. Como se sabe la
ubicación correspondiente de los componentes en el diseño de circuito no
hace referencia a su posición real en el ensamblado del circuito, es solo para
tomar referencia.
Paso 8: Vistas del ensamblado del Circuito
Se da a continuación una breve descripción de cada una de las vistas o
imágenes del ensamblado del circuito.
Anexo 15: se muestran los primeros testeos de los interruptores pull-
up (que luego serian reemplazados por los interruptores tipo timbre).
Anexo 16: el sensor de agua siento conectado mediante la
breadboard al Arduino UNO R3. El sensor de agua seria desplazado
luego por una línea de conexión hacia la fuente de agua que se
quiere detectar para controlar el apagado automático de la bomba.
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Anexo 17: se muestra en pegado del transistor C2233 en una de las
paredes de la caja de acrílico. Se hace esto para prevenir que los
demás circuitos se recaliente en caso de que, por cualquier motivo,
este transistor llegase a calentar más allá de los 47 grados C que se
ha estimado como máximo. Los cables que salen de este transistor
van directamente a los pines de entrada de la breadboard que van al
Arduino UNO R3 para su procesado. Se aprecian también los dos
LED’s de estado.
Anexo 18: las primeras pruebas con los interruptores de timbre,
reemplazando a los pull-up. Los interruptores de timbre resultan en
un aspecto más estético al momento de ser utilizados por cualquier
usuario y no requieren de tanta presicion para ser activador como los
interruptores pull-up.
Anexo 19: se muestra el circuito en su acabado final, con sus dos
LED’s, los dos Interruptores de Timbre, el Transistor C2233 y las
líneas de corriente provenientes de los transformadores externos.
Anexo 20: el circuito en sus primeras etapas de prueba, con el
sensor de agua y el rele ya conectados. Se aprecia en uso final de
los dos transformadores a través de una regleta eléctrica con un
disparador de sobre-voltaje en caso de existir un problema con los
transformadores.
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Paso 9: El código del circuito.
Explicamos a continuación las líneas de código del Arduino UNO R3, antes
de empezar queda aclarar que este lenguaje de programación está basado
en Java pero levemente modificado por Arduino Inc., con el fin de adaptar las
funcionalidades electrónicas a este lenguaje de programación, las
estructuras, sentencias, bucles y bifurcaciones se mantiene intactas así
como se implementan en el lenguaje de programación original.
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//Declaracion Variables
int Encendido = 0;
int Apagado = 0;
int Lectura_Agua = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600); // Empieza la lectura/escriura del puerto USB
pinMode(12, OUTPUT); // Salida de Encendido de Transistor (C2233)
pinMode(7, OUTPUT); // LED Indicador de Llenando Tanque
pinMode(8, OUTPUT); // LED Indicador de Tanque Lleno
pinMode(2, INPUT); // Interruptor Encendido
pinMode(4, INPUT); // Interruptor Apagado
}
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void loop()
{
Lectura_Agua = analogRead(A0); // Obtiene la lectura del sensor de agua
Encendido = digitalRead(2); // Lee el estado del Interruptor 2 (Encendido)
Apagado = digitalRead(4); // Lee el estado del Interruptor 4 (Apagado)
if (Encendido == HIGH) // Inicializa el llenado de Tanque
{
digitalWrite(12, HIGH); // Pone en saturacion en Transistor
digitalWrite(7, HIGH); // Enciende el LED Indicador de Llenando Tanque
digitalWrite(8, LOW); // Apaga el LED Indicador de Tanque Lleno, en caso de estar encendido
}
if (Apagado == HIGH || Lectura_Agua >= 400) // Coordina el apagado si uno presiona el Interruptor de Apagado o si el Sensor detecta agua
{
digitalWrite(12, LOW); // Pone en corte el Transistor
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if (Apagado != HIGH) digitalWrite(8, HIGH); // Enciende el LED de Tanque lleno solo si en verdad el Sensor detecto agua
digitalWrite(7, LOW); //Apaga el LED de Llenando Tanque
}
delay(50); // Obliga al Arduino a realizar toda esta operacion (ciclo) cada 50 milisegundos
}
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1) Cabe destacar que se ha resumido al máximo la declaración de
variables para mejor entendimiento de circuito, a diferencia de los
códigos originales de Arduino.
2) Las instrucciones pinMode, digitalWrite y analogRead hacen
referencia por su nombre a cada uno de los pines de conexión que
físicamente están en el Arduino UNO R3, tales pines son usados con
sus nombre originales y no requieren de otro tipo de preparación
mediante código.
3) Hay que mencionar que el controlador interno del Arduino UNO R3,
el AT Omega, no maneja valores de voltajes. Debido a su
programación, solo se manejan valores de lectura de datos análogos
que van desde 0 (no se detecta señal análoga) a 999 (máxima señal
análoga detectada). En otros casos se usan palabras reservadas,
como HIGH o LOW para especificar voltajes de salida.
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Análisis FODA
Fortalezas
- En este proyecto cuenta, con una sistema de bombeo de agua automatizado por un microcontralador, implementado por un equipo de trabajo que desarrollo un circuito utilizado en lo que es la automatización del bombeo de agua.
- Cuenta con recursos económicos necesario para la culminación de este proyecto.
Oportunidad
- Adquirir conocimientos nuevos y ponerlos en práctica, mediante la elaboración del proyecto de Circuito I
- Trabajar en equipo y que el proyecto conocido por otras personas.
Debilidades
-No se cuenta con ayuda externa para el desarrollo de este proyecto
- el uso de dos transformadores de corriente por el uso de energía del relé o relay.
Amenazas
- Que el circuito no funcione por falla de algún componente del mismo
- que el ambiente no sea adecuado para la instalación del sistema
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Situación actual
En la situación actual, hemos desarrollado este proyecto con el conocimiento
adquirido en la clase de Circuito I. El cual nos ha abierto una puerta para
desarrollar nuestra mente, para implementar el proyecto Automatización de
Llenado de cisterna. Este proyecto sirve para implementarse en una casa o
en una empresa el cual consiste en evitar mayor consumo de corriente
eléctrica, ya que esto sucede cuando el tanque de agua se vacía un poco, el
motor está encendido constantemente. Este implementación del proyecto
evita que la bomba de agua este en constante uso.
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Conclusiones
Este proyecto que se está implementando Automatización de llenado de Tanque, servirá para instalar en una casa de habitación el cual permitirá un mejor control en el uso de la energía eléctrica.
Se aplicaron los conocimiento adquirido en la clase de Circuitos
Se comprobó que si es posible crear un sistema, sencillo de llenado de cisterna, que no requiera de estarse alimentando de energía para su funcionamiento, eliminando, por el momento, la opción de arrancado automático.
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Recomendaciones
Utilizar adecuadamente el sistema para evitar un corto circuito que vaya dañar lo componente del circuito.
Mantener constantemente un mantenimiento del sistema y evitar un mal funcionamiento del mismo
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Anexos
Anexo 1: Arduino UNO R3
Anexo 2: Transistor C2233
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Anexo 3: Relay SRD-5VDC-SL-C SONGLE
Anexo 4: Adaptador Universal AC/DC DV 5467 NA
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Anexo 5: Interruptores de Timbre
Anexo 6: diodos LED’s
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Anexo 7: Breadboard.
Anexo 8: Sensor de Agua Phantom YoYo.
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Anexo 9: resistores.
Anexo 10: Conexión del interruptor.
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Anexo 11: Conexión de diodos LED’s
Anexo 12: Conexión del sensor de agua.
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Anexo 13: Conexión del Transformador DV 5467 NA, Transistor C2233 y el Rele SRD 5VDC
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Anexo 14: Diagrama Electrónico Completo del Circuito.
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Anexo 15: testeo de los interruptores pull-up
Anexo 16: testeo del sensor de agua.
48
Anexo 17: Transistor C2233
Anexo 18: Interruptores de timbre.
49
Anexo 19: Ensamblado final.
Anexo 20: El circuito ya ensamblado.
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