Actividad 2 Reporte del diseño DIego Avila Gonzalez 1853396 PDF

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Universidad Autónoma de Nuevo LeónFacultad de Ingeniería Mecánica y EléctricaSensores y ActuadoresActividad 2:“Reporte del diseño, simulación, implementación y resultados de los sensores adecuados a la variable física identificada en un sistema mecatrónico”.Docente: Ing. Dante Ferreyra MendezAlumno:...

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Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Sensores y Actuadores Actividad 2: “Reporte del diseño, simulación, implementación y resultados de los sensores adecuados a la variable física identificada en un sistema mecatrónico”.

Docente: Ing. Dante Ferreyra Mendez Alumno: Diego Ávila González 1853396 Carrera: Ingeniero en Mecatrónica IMTC Hora: Martes V1-V3 Periodo: Febrero-Junio 2021

San Nicolás, N.L, Ciudad Universitaria. a 26/02/2021

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ÍNDICE Introducción: ............................................................................................................ 3 Sensores ................................................................................................................. 4 Acondicionadores de señal ..................................................................................... 6 Shield Bomba .......................................................................................................... 9 Shield Lluvia .......................................................................................................... 15 Sistema de detección de humedad ....................................................................... 20 Sistema de iluminación artificial tipo led ................................................................ 23 Sistema de detección de luz para saber si la iluminación led funciona ................. 26 Shield temperatura ................................................................................................ 29 Shield cargador baterías ....................................................................................... 32 Shield seguidor solar ............................................................................................. 35 Conclusión:............................................................................................................ 38 Bibliografía ............................................................................................................ 39 Links ...................................................................................................................... 40

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Introducción: Después de analizar el problema planteado para la actividad anterior en el cual se nos planteaba el proyecto de encontrar la manera más eficaz de construir un invernadero en el planeta rojo Marte y analizar cada uno de sus sistemas y encontrar su variable física, ahora para esta actividad toca el turno de empezar a realizar una investigación del posible material que necesitaremos para construirlo, basándonos principalmente en los sensores que se usaran en cada uno de los sistemas analizados incluyendo su debido acondicionador de señal para que la información sea recibida correctamente y debidamente analizada, incluso para ello se tendrá que realizar una simulación de estos sensores en un software capaz de recrear los sensores con sus acondicionadores y simular las variables debidas para que así con estas pruebas sean factibles recrearlas en la realidad. La investigación de los sensores debe ser muy minuciosa debido a que existen diversos factores para escoger al sensor definitivo, como los son principalmente su precio, los materiales con los que están hechos, el rango de medición, su exactitud, la precisión, las temperaturas que puede aguantar, cantidad de usos o tiempo que puede durar su uso, su resolución y su tiempo de respuesta. En la actualidad estos dispositivos son esenciales en nuestra vida y no estamos consientes de cuanto dependemos de ellos, debido a que es de vital importante poder cuantificar todas las variables físicas que existen porque con ello se pueden hacer aparatos que nos faciliten nuestras tareas, un ejemplo muy marcado son los teléfonos inteligentes que ellos están llenos de estos sensores y dependemos mucho de este aparato. Los sensores no servirían de nada sin su debido acondicionador de señal, porque como sabemos debemos de cambiar esa señal de la variable física en otra señal, ya sea una señal eléctrica, magnética, senoidal, etc. Inclusive veremos que hasta se pueden amplificar estas señales y cambiar su dominio de datos, teniendo una amplia relación con los sensores, cada uno de estas características y propiedades se investigaran y analizaran para que los sistemas sean los más eficaces posibles también realizar correctamente la tarea asignada y el proyecto del invernadero resulte factible.

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Sensores Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transfusible que es función de la variable medida. Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimo, pero sensor sugiere un significado más extenso: La amplificación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que por su naturaleza o tamaño no pueden ser percibidas por los sentidos. Un sensor tiene las siguientes propiedades: 1. Convierte una variable física (por ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, generalmente en una señal eléctrica. 2. Son codificadores (Encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores e iniciadores. 3. No siempre generan una señal eléctrica. Ejemplo. Los finales de carrera neumáticos, generan cambios de presión. 4. Funcionan con contacto físico y sin contacto físico. Ejemplos, finales de carrera, sensores de fuerza(contacto físico), barreras fotoeléctricas, barreras de aire, detectores de infrarrojos, sensores de reflexión ultrasónicos, sensores magnéticos(sin contacto físico). 5. En procesos controlados, son “preceptores” que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los estados y transmitiendo esta información a los demás componentes del proceso. Características que se deben conocer de un sensor   

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Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada. 4

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Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Categorias de sensores 

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Posición angular o lineal o Potenciómetro o Encoder Desplazamiento y deformación o Gala extensiométrica o Magnetoestrictivos o LVDT Velocidad lineal y angular o Dinamo tacométrica o Encoder o Inclinómetros, RVDT o Giróscopio Aceleración o Acelerómetro o Fuerza y par (deformación) o Galgas extensiométricas o Triaxiales Presión o Membranas o Piezoeléctricos o Manómetros digitales

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Caudal o Turbina o Magnético Temperatura o Termopar o RTD o Termistor NTC o Termistor PTC o Bimetal Presencia o Inductivos o Capacitivos o Ópticos Táctiles o Matriz de contactos o Piel artificial Proximidad o Capacitivo o Inductivo o Fotoeléctrico

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Acondicionadores de señal Su uso principal es convertir una señal, que puede ser difícil de leer por el sistema de procesamiento, en un formato más fácil de leer. Para realizar esta conversión, se llevan a cabo distintos procesos (según se requieran), los cuales incluyen: 

Amplificación: Es el proceso de aumentar la magnitud de una señal. Por ejemplo, llevar una señal de 5-10 mV a una señal de 0-5 V, donde A se denomina factor de amplificación.

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Linealización: Es la conversión de una señal no lineal en una señal cuyo comportamiento sea lineal, también conocida como señal linealizada.

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Filtrado: Es el proceso mediante el cual se desprecian componentes no deseadas de una señal (véase figura 2.4). Existen distintas configuraciones de filtros, de acuerdo con las componentes que se desean conservar o eliminar de la señal. 6

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Conversión: Un caso común de aplicación de una conversión es aquel en que una señal continua o analógica, en términos de electrónica, se requiere en forma discreta o digital, para su posterior procesamiento por un dispositivo.

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Aislamiento eléctrico: Significa interrumpir el paso de la señal entre la entrada y la salida; es decir, no hay ningún cable físico entre la entrada y la salida. En general, la entrada es transferida a la salida mediante la conversión a una señal óptica o magnética. De este modo, se impide que las señales no deseadas en la línea de entrada pasen a través de la salida. El aislamiento es necesario cuando se debe hacer una medición sobre una superficie con un voltaje muy por encima del de tierra.

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Excitación: Muchos sensores requieren alguna forma de excitación para su funcionamiento; por ejemplo, los sensores con principio de transducción de reluctancia variable necesitan una señal en corriente alterna.

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Circuitos divisores Para el acondicionamiento de sensores resistivos, los circuitos divisores son los más sencillos de utilizar, pues tienen la ventaja de implementarse con facilidad y a un bajo costo; sin embargo, su alta sensibilidad a variaciones de corriente los hace menos populares que los circuitos de puente.

Circuitos Puente Los circuitos de puente se utilizan para obtener la lectura de sensores resistivos y piezorresistivos, como las galgas extensiométricas, los RTD (Resistance Temperature Device) o fotorresistencias; son circuitos baratos y fáciles de implementar.

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Circuitos Amplificadores (OpAmp) Los circuitos amplificadores se caracterizan por tener una gran cantidad de aplicaciones en el acondicionamiento de señales, dada la existencia de una gran cantidad de configuraciones tales como: Seguidores, Inversores y No-Inversores, Integradores, Diferenciales, Integrales, Sumadores, Logarítmicos, Convertidores, etc.

Símbolo del OpAmp Shield Bomba Implementaremos la bomba sumergible de 5v ya que es un dispositivo electromecánico totalmente sumergible que permite tener un flujo de hasta 2 L por minuto (de 70-120L/h) cuyo voltaje de funcionamiento es de 2,5V a 6V. Internamente está conformado por un motor DC. Además, con su hélice permite impulsar el agua que recibe en la entrada, obteniendo a la salida una presión aún mayor. El motor eléctrico viene incluido en sus terminales unos capacitores cerámicos 104 que mejorarán la estabilidad de voltaje en el circuito. Pues previene picos y el ruido eléctrico que la fuente de tensión puede generar.

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Posee las siguientes especificaciones y características: ESPECIFICACIONES Y CARACTERÍSTICAS

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Voltaje de funcionamiento: 2,5-6v DC.

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Altura bombeo máx.: 40-110 cm.

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Caudal bombeo máx.: 80-120 l/h.

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Diámetro salida Exterior: 7,5 mm.

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Diámetro salida Interior: 5 mm.

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Longitud cable: 20 cm.

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Tiempo continuo de trabajo; 500 horas. Corriente máxima: 800 mA Corriente de trabajo: 300 mA.

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Antes de continuar con el análisis cabe hacer una aclaración: La corriente máxima que se encontró para este tipo de bombas fue de 800 mA (en la bibliografía se cita la datasheet de donde se sacó esta información), pero por lo regular la corriente de trabajo (en lo investigado) estriba en los 300 mA. De todas formas, como se verá más adelante, la resistencia base calculada con la corriente máxima que se investigó, funcionó perfectamente en la simulación. Ahora bien, los principales datos que nos importan de sus especificaciones son la Corriente máxima (800 mA) y la Corriente de trabajo (300 mA), pues estas dos se utilizarán para calcular la resistencia necesaria para poder activar la bomba con la salida digital de Arduino (5V). Lo segundo que tenemos que hacer es seleccionar un transistor para que este maneje la corriente de la bomba necesaria para activar. Usaremos el NPN TIP41 con una HFE= 75. 10

Para calcular la resistencia base requerimos la corriente base:

Calculando la resistencia base:

Usando la corriente máxima en los cálculos nos evitamos la situación donde el motor no arranque y haya que darle un ‘puche’ para que comience a funcionar. 11

Simulación Manejaremos el software Proteus (versión 8.8) para la simulación del circuito. La bomba de 5v será reemplazada por un motor de 5v porque en el programa no existe tal componente. Diagrama electrónico

Código en Arduino

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Observamos cómo al darle “Play”, el programa hace que se active la bomba por 2 segundos y se apaga en seguida.

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A los dos segundos desde que se inició la simulación el motor queda inmóvil

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Shield Lluvia Básicamente lo que hace el sensor es comportarse como una resistencia. Cuando no hay presencia de agua (lluvia) el dispositivo presenta una gran resistencia, por lo que conectado a otra resistencia junto con una fuente de alimentación se convertirá en un divisor resistivo el cual nos dará un voltaje de salida con lo que podremos detectar si hay lluvia o no.

Divisor resistivo. R2 vendría siendo la resistencia que nos otorgará el

Sensor de lluvia

Simulación Para su simulación utilizaremos el software Proteus (versión 8.8).Utilizaremos un potenciómetro para aparentar el sensor lluvia ya que esta es una resistencia variable. Diagrama electrónico

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Programa Aquí solo se hará una pequeña aclaración y es que cuando se lee el pin 11(sensor lluvia) modificamos y nos dé un valor alto entonces significará que no está lloviendo. Esto se hizo debido a que cuando leía un valor bajo el LED encendía, lo cual no debería de suceder ya que si el LED se enciende significa que sí hay agua.

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Iniciamos la simulación e inmediatamente vemos cómo el monitor serial se activa y empieza a darnos lecturas.

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Cuando inicia la simulación tenemos el sensor (potenciómetro) con una alta resistencia lo cual significa que está seco. Por lo tanto, el LED está apagado y el monitor serial nos avisan que NO está lloviendo.

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Sin embargo, cuando cambiamos el valor del potenciómetro (sensor) a 0 ohms nos indica que SÍ está lloviendo, por lo que el LED se enciende y el monitor serial nos informa de que está lloviendo.

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Sistema de detección de humedad Para saber si la planta requiere riego utilizaremos el shield de humedad, como podemos ver en la imagen la pieza tiene 2 placas las cuales se colocan a la tierra de nuestras plantas, cuando la tierra esta seca tiene un valor de resistividad distinta a cuando esta mojada, gracias a esto podemos conocer el estado de humedad de la planta. Sabiendo que el agua tiene la capacidad de conducir electricidad podemos asegurar que cuando la tierra está mojada esta tendrá una resistencia más baja a cuando está seca, por ello el voltaje de salida tendera a 0 cuando la tierra está seca.

El sistema electrónico consta de 2 resistencias de 100 ohm cada una 2 pads que son las placas de metal donde se coloca la tierra, un transistor 2N2222, la señal analógica que va conectada al Arduino y finalmente una alimentación de 5v.

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Código en Arduino

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Simulación La simulación se realizó en el programa de Proteus, se le dio seguimiento al diagrama electrónico entregado por el docente y con ayuda de las carpetas de Simulino se pudo utilizar un Arduino. Debido a que no se tiene la tierra y no podemos medir si esta húmeda o no se colocó una resistencia variable para comprobar el funcionamiento del Shield

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Sistema de iluminación artificial tipo led Para que las plantas sobrevivan en el espacio se requiere que estas tengan suficiente agua, pero también lógicamente que tengan luz para realizar correctamente la fotosíntesis. Según varios estudios dependiendo del color de la luz se estimula mejor o peor la planta, en este caso usaremos luz led azul y roja. Es importante recordar que las luces led no son focos, si no mas bien son diodos los cuales si se les aplica mayor corriente de la que soportan se pueden llegar a quemar. Aquí tenemos el diagrama electrónico el cual nos muestra que necesitamos de una alimentación de 12 v, 16 luces led (8 rojas y 8 azules), un transistor tipo 41 preferentemente y resistencias.

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Código en Arduino

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Simulación En la simulación de la iluminación led se edito un poco las conexiones para tener las resistencias que vienen en el diagrama electrónico. Las luces se encienden y se apagan por segundos.

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Sistema de detección de luz para saber si la iluminación led funciona Para asegurarnos de que las luces led están funcionando en nuestro invernadero espacial necesitamos medir el nivel de luz, para ello necesitamos de un sensor LDR, este sensor varía su resistencia dependiendo de la luz que recibe. Normalmente la resistencia se utiliza para saber si es de día o de noche, cuando es de noche se tiene a tener una resistencia muy alta debido a la carencia de luz, y por el contrario cuando es de día se tiene una mucha luz la resistencia baja, por ello la salida de voltaje aumenta. El diagrama consta de un vcc que se conecta al Arduino,la fotoresistencia o LDR, una resistencia de 10k, además de la tierra y la señal.

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Código en Arduino

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Simulación Podemos observar en la simulación que la intensidad lumínica y el voltaje varía según la resistencia del LDR

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Shield temperatura Materiales Para la realización del shield de calefacción de foco y abanico será necesario contar con una placa PCB la cual deberá tener una entrada a un Arduino y nosotros construiremos, un foco de auto de 12 V, un abanico VN4-12P de 4 pulgadas a 12 volts , un sensor de temperatura LM35, Transistores NPN TIP41, dos resistencias las cuales serán calculadas, 3 terminal block para conectar las entradas y salidas de cada aparato, un pin header, dos disipador de calor en modo de aleta para el transistor de potencia, dos tornillos, dos tuercas, 1 ventilador VN412P, un foco de 12V de un cuarto de carro para generar el calor, la base para el foco de 12 V y 4 cable jumper hembra-macho. Lo que haremos será que nos apoyaremos de un sensor de temperatura LM35 para activar o desactivas el foco para aumentar o disminuir la temperatura mientras que el ventilador VN4-12P se mantiene encendido para que nuestra planta no muera y circule el aire. El sensor nos entrega una salida digital de 10 mv/ °C. 

Alimentación: 12 Vcc

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Corriente de consumo: 200 mA

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Potencia: 2,4 W

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Operación silenciosa: 29,8 dBA

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RPM: 2700.

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Dimensiones: 8 cm de frente x 8 cm de alto x 2,5 cm de espeso

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12 Vcc de alimentación Potencia: 10 W Consumo: 800 A

Cálculos resistencia de base para el transistor del ventilador: