• Author / Uploaded
• Hussein Saddam

Citation preview

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECÁNICA 2007 19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MÉXICO A1_81

DISEÑO DE MÁQUINA INCUBADORA AUTOMÁTICA DE HUEVO Fernando Cortes Barcenas, Ulises M. Peñuelas Rivas, Juan Carlos Contreras Licona, Jesús Manuel Dorador González Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Circuito Interior s/n, Ciudad Universitaria, Coyoacán México, D. F. CP 04510 Tel. 5622 8050(1) [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMEN Una incubadora de huevos de ave, es un recinto en el cual se tiene control de temperatura, humedad, ventilación y movimiento de los huevos. El modelo que aquí se expone es el más reciente, y es el resultado de una serie de modificaciones y mejoras que se han implementado en modelos anteriores, con el fin de hacer una incubadora más funcional, con un bajo consumo de energía, y que le brinde al usuario flexibilidad para su operación y versatilidad para que se adapte a sus necesidades. La incorporación de un microcontrolador (PIC16F877A), para llevar acabo el control de temperatura, humedad y movimiento de la incubadora ha sido de suma importancia, ya que con ello se ha obtenido precisión, y se ha facilitado el manejo de la incubadora, lo cual ha permitido tener una alta taza de nacimientos (entre 85 y 95 %) ABSTRACT An egg incubator, is an enclosure in which control of temperature, humidity, ventilation and movement of eggs is had. The model that is exposed here is the most recent, and is the result of a series of modifications and improvements that have been implemented in previous models, with the purpose of making a more functional incubator, with a low consumption of energy, and that offers to the usuary flexibility to its operation and versatility so that it adapts to his necessities. The incorporation of a microcontroller (PIC16F877A), to take I finish to the control of temperature, humidity and movement of the incubadora has been of extreme importance, since with it precision has been obtained, and the handling

of the incubator has been facilitated, which has allowed to have a high rate of births (between 85 and 95%) INTRODUCCION La incubación artificial de huevos de ave, es una actividad que se lleva a cavo desde mediados del siglo IX. Desde entonces la incubadora ha evolucionado desde incubadoras manuales, fabricadas en madera, con una capacidad reducida de huevos a incubar, hasta naves computarizadas con capacidades de miles de huevos, con sensores que permiten tener una atmósfera propicia para el nacimiento de aves. La incubación artificial surgió de la necesidad de satisfacer la demanda alimenticia de la humanidad, y para poder incubar especies que por selección natural es difícil que se logren. En la actualidad se cuenta con controles electrónicos digitales de alta precisión, sin embargo, son pocas las incubadoras que garantizan una alta taza de nacimientos ( mayor del 85%), que tenga un consumo de energía moderado, y que su interface de control sea flexible al usuario, esto debido, entre otras cosas, a que no incorpora un sistema de control en el cual un solo módulo monitoree los parámetros a controlar, es decir, a un modulo se le asigna la medición de la temperatura, a otro la humedad, y a otro la posición de los huevos, no habiendo una interconexión entre sí, lo cual no permite relacionar los parámetros, que es muy importante, por ejemplo, cuando se requiere controlar la humedad.

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edición: 2007 D.R.©2006. Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C.

115

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECÁNICA 2007 19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MÉXICO A1_81

En la incubadora que se diseño se ha atendido principalmente al desarrollo de un control electrónico que controle los parámetros de la incubadora, por lo que en éste artículo se hará énfasis primordialmente en como el diseño mecatrónico, ayudó a resolver un problema de diseño, apoyándose en modelos matemáticos para poder llevar a cavo el control de los parámetros de incubación.

humedad, hasta avestruz, que requiere 98º F y 35 %

CASO DE ESTUDIO Algunas de las funciones que debe llevar a cavo la incubadora son las siguientes: • Mantener una temperatura estable con variaciones no mayores de 1ºF (Típicamente los valores de temperatura que se requieren oscilan entre 97ºF y 103ºF) • Mantener un porcentaje de humedad relativa estable con variaciones no mayores de 3% • Girar los contenedores en los que se encuentran dispuestos los huevos, esto se debe hacer en 30 segundos en un lapso de entre 1 y 2 hrs. • La ventilación debe ser tal que el aire dentro de la incubadora tenga un contenido menor de 600 ppm de CO En la figura 1 se muestra la disposición física de una incubadora. La incubadora se diseño basada en los cuatro puntos antes mencionados, ya que controla temperaturas desde 32ºF hasta 100ºF con variaciones de 0.44ºF. La humedad tiene un rango de operación de 25 % hasta 90% con variaciones de 1%. El tiempo de volteo permite un rango de 1 a 255 min y se ha implementado un sistema de ventilación forzada, que por un lado absorbe aire limpio, y por otro saca el aire viciado debido a la respiración de los embriones. Dentro de la incubadora, parámetros como humedad, temperatura, tiempo de volteo y ventilación, se encuentran perfectamente controlados con el fin de obtener una taza de nacimientos mayor del 85% La incubadora que se diseño permite incubar diferentes especies de ave, ya que por medio de un teclado se pueden introducir valores de los parámetros a controlar, con lo cual se puede incubar desde pato, que requiere una temperatura de 101º F y 70% de

Figura 1. Vista de incubadora

de humedad. CARACTERÍSTICAS GENERALES En la figura 1 se muestra el aspecto físico de una incubadora con capacidad para 108 huevos, la cual se encuentra dotada de diferentes elementos, tales como resistencias, para suministrar calor, contenedores para colocar los huevos, un panel de control que consta de un modulo lcd y teclado matricial, sensores de humedad y temperatura que toman las medidas de la humedad y temperatura respectivamente para saber el estado interno de la incubadora, y un sistema de ventilación que permite mantener el aire limpio y una temperatura constante en el interior de la incubadora. Las paredes de la incubadora se han diseñado de tal manera que la transferencia de calor al exterior sea mínima, ya que entre las láminas interior y exterior, se ha colocado espuma de poliuretano que tiene un bajo coeficiente de conducción térmica. Para determinar el comportamiento de la transferencia de calor se utilizó la ley de Fourier [1] y para saber que resistencias eran las adecuadas se utilizo la ley de enfriamiento de newton [1] CONTROL ELECTRÓNICO En la figura 2 se muestra el diagrama del control electrónico general, al microcontrolador se conectan los siguientes elementos:

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edición: 2007 D.R.©2006. Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C.

116

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECÁNICA 2007 19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MÉXICO A1_81

las charolas, el potenciómetro a su vez manda una señal eléctrica al microcontrolador. También se han conectado dos sensores de temperatura, uno para medir temperatura y otro se ha acondicionado para medir la humedad.. Tal acondicionamiento consiste en mantener un sensor húmedo, de tal manera que se tenga la referencia de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco. Las características de los sensores son las siguientes: • Sensores analógicos con una salida se 10 mV/oC • Resolución de 0.44 ºF • Rango de operación de 0 a 100 ºC

Figura 2. Diagrama de interfaz

• • • • • • • • •

Un módulo LCD de 16x4 Un teclado matricial Dos sensores de temperatura Un sensor capacitivo para medir nivel de agua Una memoria de 64 kb con protocolo I2C Dos interruptores Un zumbador Una tarjeta de relevadores Potenciómetro de 50 kΩ

En le módulo LCD se visualizan los parámetros, temperatura, humedad y tiempo de volteo así como alguna falla que pudiera suscitarse. El teclado permite introducir el valor de los parámetros, el zumbador indica cuando la incubadora tiene alguna falla, la unidad de potencia contiene los relevadores que activan o desactivan los actuadores (ventilador, resistencias, electroválvula, motorreductor, foco). Dos interruptores se conectan al microcontrolador, uno es para saber si la puerta se encuentra abierta, y otro para activar el foco. Para saber la inclinación de los huevos se ha colocado un potenciómetro en el eje de giro de

Para realizar la medida, cada sensor se ha conectado a un canal de entrada del convertidor analógico a digital con una resolución de 10 bits, que trae incorporado en le silicio el microcontrolador[2], y la información que se obtiene de la lectura del convertidor analógico a digital se procesa en el interior del microcontrolador. El tener un valor de bulbo húmedo y bulbo seco, permite conocer el porcentaje de humedad dentro de la incubadora, a través de la carta psicométrica[3], de la cual se han extraído algunos valores y se han guardado en una memoria conectada al microcontrolador por medio del protocolo I2C. En el programa que se ha grabado en el microcontrolador, se ha incluido una ecuación que permite relacionar los valores de bulbo seco y bulbo húmedo, y las direcciones de la memoria, de tal manera que al saber los valores de bulbo húmedo y seco se puede leer de la memoria el valor del porcentaje de humedad que corresponde. La deducción de la ecuación también se ha apoyado en la carta psicométrica. PROGRAMA DE CONTROL En la figura 3 se muestra el diagrama de flujo general del programa de control principal, en él se muestran los niveles de jeraquización utilizados además de los bloques de control principal de las actividades que se realizan en la incubadora. El sistema funciona en tiempo real, por lo cuál los parámetros de jerarquía primaria son atendidos por interrupción permitiendo así que los servicios de

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edición: 2007 D.R.©2006. Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C.

117

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECÁNICA 2007 19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MÉXICO A1_81

Figura 3. Diagrama de flujo del programa principal

control en el nivel secundario se trabajen de forma paralela atendiendo a los datos del nivel primario.

• Falta de agua • Motor trabado.

El sistema trabaja a una velocidad máxima de 20 MHz, lo que implica que se pueden realizar hasta cinco millones de operaciones por segundo, por lo que el control de la máquina se puede considerar robusto con respecto a las tolerancias de tiempo. Cada corrida del programa principal se efectúa en 2 segundos. El procesar la información implica convertir los valores, colectados de los sensores, a binario codificado a decimal, para ser comparados con los valores que se requieren, y así activa o desactivar los actuadores según se requiera.

ANALISIS CINEMÄTICO DEL MECANISMO DE VOLTEO En la incubación artificial es necesario que los huevos sean volteados 90° cierto tiempo (parámetro en función de la especie a empollar). La configuración del mecanismo de volteo se muestra en la figura 4.

Las fallas que se pueden tener son: • Temperatura alta • Temperatura baja

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edición: 2007 D.R.©2006. Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C.

118

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECÁNICA 2007 19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MÉXICO A1_81

Lo primero es obtener la velocidad del punto C en términos de la velocidad angular del soporte de los contenedores, de manera que:

Vc = wsc BC.....(1) Sustituyendo valores, Vc = 0.1047(0.07675) m / s El valor de la velocidad angular, ha sido previamente convertido a radianes sobre segundo.

Figura 4. Configuración del mecanismo de volteo

Dado que la barra acopladora tiene movimiento plano general se puede considerar que pivotea en el punto D como se muestra en el diagrama de la figura 6.

Al rotar el husillo el collarín se desplaza en forma lineal en dirección vertical y transmite el movimiento al soporte de los contenedores, que únicamente gira, por medio de la barra acopladora, que tiene un movimiento plano general. El soporte del contenedor solo puede moverse en un intervalo de -45º a 45º como se muestra en la figura 5.

Figura 6. Condiciones de velocidad del mecanismo

Por lo que: Figura 5. Intervalo de giro de los contenedores

CD = Del análisis cinemática se debe deducir la velocidad del collarín, para saber cual es la velocidad del motorreductor que hará girar al husillo, sabiendo que los soportes del contenedor giran a 1 rpm., la distancia BC es de 0.07675 m, la distancia del punto B al centro del husillo es 0.0542 m, y la barra acopladora mide 0.08 m.

AC .....(2) senθ

entonces CD = 0.1131 m y se sabe que AD = AC La velocidad de la barra acopladora con respecto al punto D es:

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edición: 2007 D.R.©2006. Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C.

119

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECÁNICA 2007 19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MÉXICO A1_81

ω AC =

VB senθ .....(3) 0.08

Y la velocidad del collarín se obtiene a partir de:

V A = ω AC DA.....( 4) de donde

V A = VC cosθ .....(5)

El calculo anterior es valido de -45º a 0o, sin embargo, dada la simetría del mecanismo se podría hacer un análisis similar de 40º a 0o. Las ecuaciones utilizadas en este apartado pueden ser consultadas en el libro de Norton[4] El saber el valor de la velocidad del collarín, es importante por que en base a ello se selecciona el tipo de motorreductor que será conectado al husillo. En el análisis también se podría obtener la aceleración, sin embargo, como las velocidades a las que trabaja el mecanismo son bajas, se desprecian efectos de inercia para un análisis dinámico (que no se muestra en este artículo).

tiene un consumo de energía de 700 watts y al día consume 10 litros de agua Las comparaciones se han hecho basándose en una empresa que comercializa incubadoras en México desde ya hace un tiempo [5] Sin embargo, todavía queda mucho por mejorar, ya que en fechas recientes, han surgido nuevos sensores que permiten dar mayor precisión a las mediciones, los cuales ya se están incorporando a nuevos modelos de incubadoras, y con ello se pretende que en un futuro no muy lejano se puedan garantizar tazas de nacimiento cercanas al 100%.

BIBLIOGRAFIA [1] J.P. Colman, “Transferencia de calor”, 8ª ed, Mc Graw Hill 1998 pp 1-8 [2] Jose Mª. Angulo Usastegui, “Microcontroladores PIC, Diseño y aplicaciones, segunda parte”; 2ª ed, Mc Graw Hill, 2000, pp129-144 [3] Kenneth Wark, “Termodinámica”, 6a ed, Mc Graw Hill pp965

CONCLUSIONES El haber incorporado un microcontrolador al control de la incubadora que se diseño, ha permitido mejorar el funcionamiento y el rendimiento en la incubadora con respecto a otras que ya se fabricaban en México. El tener un control con sensores de precisión, relacionados entre si han permitido obtener tazas de nacimiento de hasta un 95% con respecto a incubadoras que ofrecen a lo más un 80% utilizando controles convencionales.

[4] Rober L . Norton, “Diseño de Maquinaria”, Mc Graw Hill, 1995 [5]

Incumatic® México, “www.incumatic.com”, consultada en enero del 2007

Otro resultado que se refleja el incorporar un microcontrolador es el ahorro de energía y agua, ya que, por ejemplo, una incubadora que ya ha sido fabricada en México, con una capacidad de 1000 huevos tiene un consumo de 1000 watts y por día gasta entre 20 y 30 litros de agua. Una de las incubadoras que se diseñó, con la misma capacidad

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edición: 2007 D.R.©2006. Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C.

120