Logo Studenta

ACTIVIDAD 2 sensores - Salvador Hdz M

Vista previa del material en texto

Universidad Autónoma de Nuevo León.
Facultad De Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Ing. Alfredo Romero 	Balboa
Sensores y Actuadores.
Actividad 2:Reporte del sensor adecuado a la variable física identificada y su acondicionador de señal.
 de febrero de 2022.
 Introducción 
En principal objetivo de este reporte es seleccionar el sensor adecuado para la variable física identificada junto con su acondicionador de señal, dicho diseño de señal en la PCB se estará mostrando en el desarrollo de esta práctica, así como el diagrama electrónico y la simulación.
Para llevar a cabo dicho diseños, simulaciones y diagramas electrónicos utilizaremos distintos softwares (Arduino pcb wizard,proteus,fritzing) que el maestro de clase nos proporcionó y asimismo pondremos a trabajar nuestra creatividad. 
Proteus es un software muy popular para simular los circuitos, además también proporciona la flexibilidad para el diseño de PCB. Proteus también se puede utilizar muy eficientemente para simular los circuitos con la placa de desarrollo Arduino como microcontrolador.
PCB Wizard es un software para la creación de placas de circuito impreso muy intuitivo y fácil de usar.
cuenta con muchas opciones que nos facilitarán el trabajo, como ser: generación de reportes, creación de archivos NC Drill y Gerber y múltiples opciones de impresión, entre otras
El sistema mecatrónico para investigar es un invernadero que irá en una misión de la nasa a marte el objetivo es que los astronautas puedan poner el invernadero en marte y este tenga todos los soportes vitales para mantener a la planta viva.
 Por lo tanto, a continuación, elaboraremos una investigación a detalle acerca de los sistemas requeridos (sistema de riego por bomba de agua, detección de lluvia, detección de humedad, iluminación artificial, detección de luz, calefacción con foco de carro y abanico para la temperatura, seguimiento solar y almacenamiento de energía) para nuestra misión a marte y puedan nuestras plantas sobrevivir al ambiente desconocido.
Sistema de riego por bomba de agua.
Como bien lo sabemos, el planeta marte no cuenta con la atmosfera necesaria para la posibilidad de que se cree vida por si sola, pues no se tienen las circunstancias necesarias para que haya agua en su superficie ni en el interior del planeta. Debido a esto, de alguna forma se tiene que conseguir y procesar el agua de manera que sea sostenible el consumo de ella. Gracias a la investigación previamente realizada, se llegó a que la mejor opción es tener un sistema de riego por bomba de agua en donde la función principal por aspersión es convertir la energía mecánica que esta proporciona a energía cinética, haciendo que se mueva el agua de un lugar u otro sin importar la altura o distancia, los aspersores pulverizan el agua en forma de pequeñas gotas. 
Acondicionador de señal
 Para este sistema, previo al despegue de los astronautas se realizó una investigación acerca de cual era el sensor que mejoraría el funcionamiento de la bomba de aspersión, dicha pieza recibe el nombre transistor NPN TIP41. Este con la finalidad de controlar la bomba de agua pues deberá activar el encendido y apagado de la bomba con una señal de 0 a 5 volt proveniente de un Arduino para que este maneje la corriente necesaria para que la bomba pueda activarse. Y así calcular la resistencia (R1) necesaria para activar la bomba con la salida digital de un Arduino (5volt).
Diseño y Simulaciones 
Diagrama Electrónico
Simulación 
Sistema de detección de lluvia para saber si el sistema de riego está funcionando.
Una vez que se cuenta con una bomba de riego para las plantas es necesario llevar un control con la finalidad de saber si el sistema anterior está funcionando muy bien, ya que tratándose de otro planeta deberá estarse monitoreando en todo momento mientras esté en funcionamiento. 
Para esto se requiere de un sistema que se dedique a lo mismo. Se estará usando un detector de lluvia el cual tendrá que estar manando una señal correspondiente y a la par del sistema de bomba para riego, de manera que si este deja de funcionas o mandar alguna señal, los astronautas sabrán que algo ocurre con el riego de su invernadero. Algo importante de destacar es que se ocupara sensor detector de lluvia, que no indique que hay agua presente en el invernadero, validando el funcionamiento del sistema anterior. Y para ayudar a que el sensor logre transmitir una indicación se necesita un circuito comparador de voltaje.
Acondicionador de señal
 Este sistema funciona con un sensor el cual consta de dos placas de metal que están muy cercanas. Cuando cae una gota de agua esta moja las dos placas de metal y esto hace que la combinación del agua y las dos placas de metal se conviertan en una resistencia de bajo valor óhmico y si no hay lluvia las dos placas de metal están secas creando una alta resistencia entre las placas. Los astronautas podrán detectar cuando el sensor pase de estar seco a mojado obteniendo una salida digital la cual indique el cambio. 
Diseño Diagrama Electrónico
Sistema de iluminación artificial tipo LED.
 Al ser un invernadero que será instalado en otro planeta en el cual la atmosfera obviamente no es la adecuada, los astronautas necesitan que los cultivos estén creciendo y desarrollándose continuamente y sin parar pues serán muy importantes para su supervivencia en un futuro cercano. 
Para lograr esto, deberá ser necesario instalar una iluminación artificial tipo LED que esté trabajando durante la noche y en los momentos en los que se pueda presentar una tormenta la cual intervenga con la luz solar natural que llegue a las plantas, e incluso en gran parte de él día cuando los rayos del sol no caigan directamente sobre la superficie del invernadero.
 Esta iluminación artificial tiene como fin ser capaz de estimular positivamente el proceso de la fotosíntesis de manera eficiente para cultivos en interiores donde el control total y/o parcial y automatizado de procesos o tareas pueda llevar a buenos resultados.
 Según estudios de la NASA las plantas absorben mejor la luz roja y azul de todo el espectro electromagnético por tal motivo debemos de genera luz con tecnología led y poder controlar el encendido y apagado de nuestras lámparas led. 
Una de las funciones más relevantes de los LED es emitir luz de longitud de onda específica para estimular apropiadamente el crecimiento de las plantas. Gracias al bajo consumo en energía eléctrica que poseen estos dispositivos, son capaces de ser integrados a modernos sistemas alternativos de energía eléctrica para su operación, como sistemas solares y eólicos. 
Como también pueden ser fácilmente integrados a sistemas de control digital, facilitando programas complejos de iluminación tales como la variación de la intensidad o la composición espectral sobre el curso de las etapas de desarrollo de la planta.
Diseño y simulaciones Diagrama Electrónico 
lectrónico
Simulación
Sistema de detección de humedad, para saber si la planta requiere riego.
La humedad claramente es un factor demasiado importante para el crecimiento de las plantas en el invernadero, pues es la que determina en que momento el cultivo necesitara o no agua.
 Como se puede ir notando, cada sistema o variable física que se planteó anteriormente se va uniendo con la otra, pues en marte se deberá crear un entorno que simule o recree las condiciones más parecidas a la atmosfera y circunstancias que permiten la vida en la tierra. 
Los sensores de humedad miden el nivel de líquido o la humedad relativa en un área dada, permitiendo controlar la humedad del aire y la temperatura. Las magnitudes medidas por el sensor de humedad se transforman en una señal eléctrica. El sensor que se estará utilizando para detectar la humedad del suelo será el FC-28. FC-28 permite medir de forma sencilla la humedad del suelo por medio de 2 electrodos resistivosSensor de Humedad
. El shield detecta la Humedad tomando en cuenta la resistividad de la tierra cuando esta seca y cuando estamojada, para eso se hace un sensor que consta de dos placas de metal que están separadas, pero no se unen ver y cuando se entierra el sensor las dos placas de metal junto con la tierra se convierten en una resistencia. El funcionamiento del sensor se basa en medir la resistencia entre 2 electrodos insertados dentro del suelo, la resistencia entre los electrodos dependerá de la humedad del suelo, por lo que para un suelo muy húmedo tendremos una resistencia muy baja (corto circuito) y para un suelo muy seco la resistencia será muy alta (circuito abierto). 
Qué es el sensor de humedad
Un sensor de humedad es un aparato que permite detectar y controlar el porcentaje de agua del aire o de cualquier material o superficie. Su nombre técnico es higrómetro y resulta un elemento indispensable en meteorología. Sin embargo, cada vez es incluido con mayor asiduidad en los sistemas de climatización domésticos y comerciales. Suele medir también la temperatura ya que son dos valores necesarios para calcular la sensación térmica.
Los mejores ventiladores y aires acondicionados para combatir el calor
EC
Estos dispositivos, generalmente, transforman las magnitudes de humedad detectadas en una señal eléctrica de entre 4 y 20mA. Después, un material semiconductor se encarga de determinarlas con precisión a través de un valor numérico. En función de él, el usuario puede actuar para incrementar o reducir el porcentaje de humedad.
Para qué sirve el sensor de humedad
Como dijimos antes, los sensores de humedad sirven para determinar el porcentaje de vapor presente en el aire seco, así como de agua en determinados materiales. Cuando éste sobrepasa ciertos niveles “de confort”, eleva la sensación de calor o frío. Asimismo, si no los alcanza, provoca sequedad en la garganta y en las vías respiratori
Diagrama Electrónico 
lectrónico
Sistema de detección de luz para saber si la iluminación led está funcionando.
Ahora que se cuenta con un sistema de iluminación con el que las plantas pueden desarrollarse. El invernadero debe contar con un sistema de aseguramiento el cual les permita a los astronautas en misión corroborar que su cosecha se encuentra en producción, de manera que fue pensada la variable física de un sistema de detección para esta luz . 
Este sistema de control de iluminación es una solución de control basada en redes de comunicación entre varios componentes, diseñado para regular un sistema de iluminación programado, supervisado y gestionado desde uno o más dispositivos informáticos centrales.
 La mayoría de los sistemas de control en la iluminación funcionan para distribuir la cantidad adecuada de luz artificial en el espacio y momento necesario, y son ampliamente utilizados tanto en interiores como exteriores en espacios residenciales, industriales o comerciales.
 En este caso nuestro sistema de luz artificial con iluminación led, funcionará como un sustituto de luz natural para la realización de la fotosíntesis. Prácticamente todos los seres vivos dependemos directa o indirectamente de la luz ya que ésta es la que hace posible la función clorofílica mediante la que los vegetales sintetizan la materia orgánica a partir de sustancias minerales.
Por otro lado, este sistema de detección no solo va a poder captar e indicar la situación de la luz led que se encuentre en el invernadero, sino que también va a contribuir para saber la calidad de luz solar natural que las plantas reciben: esto podría ser de gran utilidad.
Acondicionador de señal
Como ya se mencionó para poder saber si es de día, de noche o está atardeciendo se requiere medir el nivel de la luz ambiente para esto se utilizará un sensor Fotorresistencia, este es una resistencia que varía su valor óhmico con la luz. Y por otro lado tenemos la parte del sistema que nos identificara el estado de la luz led. Está sección consta de una Placa Luz (Figura 5.2 Led), se compone de un transistor TIP 41.
Como la fotorresistencia varia su valor óhmico se requiere convertir los ohm en voltaje y para eso se requiere conectar la fotorresistencia en un divisor resistivo con una resistencia de 10k , con esto cuando la luz varia la resistencia del sensor varia y el voltaje de salida del divisor resistivo varia y lo podemos medir en una entrada analógica del Arduino. Cuando no hay luz o es de noche la fotorresistencia tendrá una resistencia muy alta y por ende la salida de voltaje del divisor resistivo tendera a cero volts y 1 Placa cuando hay mucha luz o es de día la fotorresistencia tendrá una Luz LED resistencia muy baja y por ende la salida de voltaje del divisor resistivo tendera a ser VCC, con es variación de voltaje podremos conectarlo a la entada analógica del Arduino y poder saber si es de día o de noche.
Diseño 
Diagrama Electrónico 
lectrónico
Sistema de calefacción con foco de carro y abanico para mantener a la planta a una temperatura.
El calor también interfiere como otro sistema de calor para el proceso mecatrónico. Es proveniente del sol y va en conjunto con la luz, mencionada anteriormente.
 El calor es un tipo de energía que se produce por la vibración de moléculas y que provoca la subida de la temperatura, la dilatación de cuerpos, la fundición de sólidos y la evaporación de líquido.
 De una forma genérica, es una temperatura elevada en el ambiente o en el cuerpo. Existen diferentes tipos de calores como el calor especifico, calor latente, calor sensible, etc. En este caso para el funcionamiento del invernadero hablaremos del calor en forma de temperatura o calefacción que aportará. 
Es un factor fundamental en la vida de los organismos ya que regula las funciones vitales que realizan las enzimas de carácter proteico. Cuando la temperatura es muy elevada o baja, estas funciones se paralizan llevando a la destrucción de los organelos celulares o la propia célula. El funcionamiento es el siguiente primero el invernadero siempre debe de tener flujo de aire ya que la planta respira y expulsa gases y si no hay flujo de aire la planta se puede morir por asfixia, por tal motivo siempre hay que activar el abanico, el sensor de temperatura mandara la información de la temperatura a la que se encuentra el ambiente en donde está la planta y este ambiente debe de estar en una temperatura aproximada de 30°C por eso se programa a él Arduino con una temperatura de setpoint de tal manera que si el Arduino detecta que la temperatura de setpoint es menor a la temperatura ambiente entonces se debe de prender el foco para que genere calor y si la temperatura es mayor al setpoint el foco deberá de apagarse el abanico debe de permanecer encendido todo este tiempo.
Acondicionador de señal 
El Sensor de Temperatura LM35 es un circuito integrado de precisión de temperatura, cuyo voltaje de salida es lineal mente proporcional a grados centígrados. Se puede presentar de diferentes encapsulados, pero uno de los más comunes es el TO-92. (Figura 1) 
El LM35 permite medir el cambio de temperatura de un cuerpo o de un objeto en un rango de -55°C hasta 150°C, las aplicaciones más comunes son: termómetro, aplicaciones remotas, termostato casero jardinería y en sistemas de monitoreo industrial.
ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS 
· Calibrado: ° Celsius (centígrado)Figura.1
· Factor de escala: lineal + 10.0 mV / °C
· Precisión: 0.5 °C garantiza (a +25 °C)
· Rango de medición: -55°C a +150°C
· Voltaje de Operación: 4 a 30 V
· Corriente de Trabajo: Menos de 60 µA
· Salida: Baja impedancia, 0.1Ω para 1mA de carga
 es un circuito electrónico sensor que puede medir temperatura. Su salida es analógica, es decir, te proporciona un voltaje proporcional a la temperatura. El sensor tiene un rango desde −55°C a 150°C. Su popularidad se debe a la facilidad con la que se puede medir la temperatura. Incluso no es necesario de un microprocesador o microcontrolador para medir la temperatura. Dado que el sensor LM35 es analógico, basta con medir con un multímetro, el voltaje a salida del sensor.
Para convertir el voltaje a la temperatura, el LM35 proporciona10mV por cada grado centígrado. También cabe señalar que ese sensor se puede usar sin offset, es decir que si medimos 20mV a la salida, estaremos midiendo 2°C.
LM35 y sus características principales
· Resolución: 10mV por cada grado centígrado.
· Voltaje de alimentación.  Por ejemplo, esté sensor se puede alimentar desde 4Vdc hasta 20Vdc.
· Tipo de medición. Salida analógica.
· Numero de pines: 3 pines, GND, VCC y VSalida.
· No requiere calibración.
· Tiene una precisión de ±¼°C.
· Esta calibrado para medir °C.
· Consumo de corriente: 60 μA
· Empaquetados comunes:
· TO-CAN.
· TO-220.
· TO-92.
· SOIC8.
Los pines del sensor LM35
El pinout del sensor de temperatura son tres: GND, VCC y VSalida. Entonces dependiendo del empaquetado será el orden de conexión de los pines. Por ejemplo, el empaquetado TO-220 tiene la siguiente distribución:
 
Circuito recomendable para su uso
La simples del circuito hace que sea muy fácil ser utilizado en alguna aplicación embebida. Entonces sólo basta alimentarlo con digamos 5VDC, conectar la tierra GND a la tierra del circuito digital y la salida de voltaje a la entrada del ADC.
Prueba rápida para el sensor LM35
La prueba más sencilla que se puede relizar en para un sensor LM35 es usando un multimetro. Entonces para comenzar se harán las siguientes conexiones:
· VCC a 5VDC.
· GND a GND de la fuente de alimentación y al negativo del multimetro.
· Vsalida al positivo del multimetro.
Posteriormente se pondrá en multimetro en autorango o en la escala de volts. Por ejemplo voltaje resultante corresponde a una medida directa de la temperatura. Finalmente, tome el caso de la siguiente imagen, en este experimento el voltaje de salida da: 230.3mV, si la resolución del sensor es de 10mV/°C, entonces se estaría midiendo 23.03 °C.
Diseño 
Sistema de seguimiento solar para que generen energía los paneles solares.
 Estando en Marte, los astronautas tendrán el tiempo suficiente para estar cuidado las plantas, por lo que no solo se deberá ahorrar tiempo previniendo fallas o desperfectos con los sistemas implementados, sino que deberán tener un consume de energía proveniente de alguna parte.
 La mejor opción para que el invernadero funcione óptimamente y sin consumir recursos destinados para otras actividades es la energía solar, misma que deberá ser captada mediante unos paneles solares, e implementarse un “Sistema de almacenamiento de energía para almacenar los paneles solares”, sin embargo, es muy importante que se cuente con un Sistema de seguimiento solar que genere dicha energía. 
Acondicionador de señal 
El shield Solar consta de 4 sensores fotorresistivos, los cuales van conectados a una placa pcb comparadora de voltaje. En medio de los 4 fotorresistencia se debe de colocar unas paredes en forma de cruz de cualquier material no traslucido como cartón, la idea es generar sombras sobre las fotorresistencias. Para medir la variación de voltaje que provocan las sombras y determinar la posición del sol.
Diseño 
Sistema de almacenamiento de energía para almacenar la energía de los paneles solares
El almacenamiento de baterías de paneles solares ofrece una solución a estos problemas, almacenando energía cuando es abundante y barata y liberándola cuando es escasa o costosa, o en otros momentos, como después del atardecer. El almacenamiento también facilita que activos, como sistemas de paneles solares, suministren energía a la red aislándola del riesgo de sobrecargas. Esto es importante desde el punto de vista del operador de red porque ayuda a protegerla. La energía eléctrica no puede almacenarse como tal y es necesario transformarla en otros tipos, como la energía mecánica o la química.
Acondicionador de señal 
 El shield cargador de batería, tiene una entrada de alimentación en el cual se le debe de conectar una celda solar en nuestro caso se conectará una fuente de alimentación externa de 14V o 15V para que pueda cargar la batería de plomo acido de 12V, la salida alimentara a todos los circuitos del invernadero. 
Diseño 
Mi Arduino
Mi ARDUINO es una réplica con ciertas modificaciones de la placa Arduino UNO, las modificaciones fueron hechas con el propósito de facilitar la construcción de tarjeta asumiendo que la persona que la construya no posee la experiencia y el conocimiento suficiente en la fabricación de placas de circuito impreso. Por tal motivo se hicieron las siguientes modificaciones al diseño original. 
A) Se diseñó la placa PCB en una cara para facilitar su construcción.
B) Se diseñó el circuito con piezas normales no de montaje de superficie.
C) Se utilizó el protocolo de comunicación serial RS232 para la programación de la tarjeta con la finalidad de utilizar un cable USB a serial para tal motivo.
D) Se requiere de una fuente de alimentación externa tanto para operar como para programar la tarjeta.
E) Se utilizará el método de trasferencia de PRESS-N-PEEL para fabricar la placa PCB. 
¿Para qué sirve Arduino?
El hardware y software de Arduino fue diseñado para artistas, diseñadores, aficionados, hackers, novatos y cualquier persona interesada en crear objetos o entornos interactivos. Igualmente, Arduino puede interactuar con pulsadores, LED, motores, altavoces, unidades GPS, cámaras, Internet e incluso con tu teléfono inteligente o tu propia televisión doméstica.
Para todo, desde robots y una manta eléctrica para calentar tu espalda dolorida hasta máquinas recreativas, e incluso un cubilete para lanzar dados en el popular Parchis, la placa de Arduino puede ser usada como controlador de casi todo proyecto electrónico que te propongas llevar a cabo.
Sus posibilidades infinitas te proporcionan controlar variables físicas como velocidad, aceleración, temperatura, fuerza, presión entre otras. Estas se convierten en electricidad para ser medidas y utilizadas en todo tipo de diseños.
Entre sus utilidades más frecuentes en el ámbito empresarial destacan proyectos realizados en Robótica, Internet de las Cosas, y Domótica. Los recursos específicos más utilizados en la industria van desde la programación de PLC, el desarrollo de voltímetros y osciloscopios, como tarjeta de adquisición de datos, hasta el empleo como servidor web entre otros muchos más.
Partes de la placa de Arduino.
 
¿Qué es Arduino?
Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software de fácil manejo que se utiliza para la construcción de proyectos electrónicos.
 El mismo, está formado por una tarjeta o placa física de circuito programable (normalmente denominada micro-controlador) y un software, o IDE (Integrated Development Environment) que se instala en tu ordenador, y que se utiliza para picar y cargar código del ordenador a la tarjeta física.
Las placas de Arduino se caracterizan por leer entradas – la luz de un sensor, pulsar un botón, o un mensaje de texto enviado a una Red Social – para convertirla en una salida – activando un motor, encendiendo un LED, publicando algo on-line.
En resumen, te permite indicar a la placa qué hacer enviando un conjunto de instrucciones al micro-controlador de la placa. Para ello utilizas el lenguaje de programación de Arduino, basado en Wiring y el software de Arduino (IDE), basado en Processing.
Arduino nació en el Ivrea Interaction Design Institute como una herramienta sencilla para la creación rápida de prototipos. En un principio, dirigida a estudiantes sin formación en electrónica y programación.
Conclusión
En este reporte podemos concluir como son las simulaciones para los diagramas de los circuitos electrónicos y podemos observar como empezaremos a armar el proyecto desde empezar desde la parte de los diagramas.
Los diseños son muy importantes debido a que con esto podemos arrancar para poder a hacer las placas de pcb y saber como empezar a armarlas 
En este reporte también veremos un poco del funcionamiento de los materiales que vamos a utilizar como la fabricación del sensor de humedad y el semestre por lo tanto esta información será de mucha ayuda a lo largo del semestre.
Esta información también nos ayuda apara la formación de la placa de pbc de Arduino 
Bibliografías
· UNIT Electronics. (2021, 18 septiembre). Sensor de Temperatura LM35. https://uelectronics.com/producto/sensor-de-temperatura-lm35/
· Access Denied. (s. f.). 2n2222. Recuperado 18 de septiembre de 2021, de https://www.mouser.mx/ProductDetail/STMicroelectronics/2N2222?qs=Mh4MMBQMpV141uwXlHtQSQ%3D%3D
· 2N2222 Datasheet pdf - Leaded Small Signal Transistor General Purpose - Central Semiconductor. (s. f.). 2n2222. Recuperado 18 de septiembre de 2021, de http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/2/N/2/2/2N2222.shtml
· J. (2019, 12 marzo). Fotoresistencia –. Aprendiendo Arduino. https://aprendiendoarduino.wordpress.com/tag/fotoresistencia/
· UNIT Electronics. (2021, 8 octubre). Transistor BJT TIP41C NPN / TIP42C PNP. https://uelectronics.com/producto/transistor-bjt-tip41c-npn-tip42c-pnp/#:%7E:text=El%20TIP41C%20est%C3%A1n%20dise%C3%B1ado%20para,de%20audio%20de%20baja%20potencia.

Otros materiales