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• Flavio Ventura

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Introducción

En la presente memoria técnica se presentan una serie de investigaciones sobre invernaderos según las condiciones de la región, también conoceremos con figuración y aplicaciones de los amplificadores operacionales para elaborar el sistema que controla el mismo. Se podrá apreciar cada parte y la realización de todo el invernadero, desde la estructura metálica y el circuito que de ante mano se realizo sobre un trozo de papel comenzando con la serie de configuraciones para armar el diagrama y que todo funcionara a la perfección siguiendo las pruebas correspondientes a las etapas puestas en el circuito que van desde un punto suma, sensor, control PID, comparadores y los actuadores que tomaran la decisión para actiovar mediante pulsos el relevador y de esta manera accionar los componentes ya sea resistencia, electroválvula o disipador de calor. el invernadero cuenta con dos sistemas el control de temperatura y el control de humedad que prácticamente son similares cambiando solamente el tipo de sensores usados para cada uno. Los materias también irán anexados así como sus características técnicas y diagramas de conexiones. Este prototipo será de mucha para poner en práctica los conocimientos que se han adquirido dentro del aula y fuera de ella por investigación propia de cada miembro del equipo. De esta manera nos damos cuenta como la electrónica puede desempeñar cualquier papel en la industria en general, en este caso será para aplicarlo en el cultivo de plantas.

Planteamiento del problema

Lo que se debe realizar es un proyecto que nos sirva para poner en práctica lo aprendido dentro de clases. El problema es comenzar a elaborar el proyecto asignado, el invernadero u bien el prototipo de un invernadero deberá contar con un sistema de control PID y que todo el circuito funcione con amplificadores operacionales. La solución es investigar y conocer los tipos de configuraciones a emplear, elaborar el diagrama del circuito calcular cada una de las resistencias que pueda necesitar elaborando los cálculos necesarios de la mejor manera se puede tener una buena posibilidad que funcione adecuadamente. Para comenzar a elaborar el circuito, necesitamos establecer la temperatura de referencia a la que se mantendrá estable. Medir que la temperatura ambiente no sea mayor para evitar problemas y si es mayor meter un equipo de Aire Acondicionado para enfriamiento. Las condiciones de la plante deben ser las asignadas al circuito y basadas en los cálculos, que la señal enviada por los sensores llegue a un punto de suma con el sistema de referencia y que pase por el control PID para poder estabilizar y al final llegue la señal amplificada a los actuadores. El paso más impórtate es que se reste el voltaje de referencia y el valor de la salida del sensor de temperatura así también con el de humedad, en el de temperatura tenemos que si el valor llega a ser mayor de 40°c se activara el disipador y en caso contrario si la temperatura baja a menos de 40°c la resistencia tendría que comenzar a elevar la temperatura de nueva cuenta hasta llegar a los 40°c que necesita nuestra planta. Ahora de qué manera se regara la planta, esto será a base de una electro válvula conectada a un relevador y de modo que cuando el sensor no detecte un voltaje que pase a través de la tierra esto es por conducción atravesé del agua que está en la humedad de la tierra. Se acciona al no haber humedad y cierra una vez regada la tierra y que esta adquiera la humedad necesaria para continuar con su labor de crecimiento en el caso de la planta

OBJETIVO GENERAL Diseñar el prototipo de un invernadero que pueda funcionar con amplificadores operacionales y que cuente con un control (PID). El funcionamiento debe ser adecuado a las condiciones climáticas de la región que a su vez deberán controlarse con el circuito de temperatura y d humedad en el caso de la tierra.

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OBJETIVOS ESPECIFICOS Elaborar el prototipo de un invernadero que funcione automáticamente Diseñar el diagrama con los componentes requeridos para el funcionamiento del mismo Poner en práctica los conocimientos adquiridos dentro y fuera el aula Construir los circuitos de temperatura y humedad Montar los circuitos y colocar los sensores dentro del prototipo diseñado Exponer los beneficios del prototipo

JUSTIFICACIÓN

Al concluir con el conocimientos de ciertos componentes electrónicos dentro de la materia de electrónica analógica y sabiendo el manejo y uso adecuado de cada uno de ellos por mencionar algunos encontramos los tipos de capacitores, diodos transistores, etc. También se realizaron prácticas con cada uno de ellos así como proyectos para ver la aplicación dentro de la industria. Al realiza fuentes de voltaje en CD se variables y simétricas, pudimos ver el uso de los diodos para rectificar la onda, capacitores para realizar el filtro de la misma así como también el uso de los transistores para obtener el voltaje deseado. También nos enseñaron el manejo del osciloscopio para conocer las señales dentro del circuito y como último de los temas vistos fueron las configuraciones de los amplificadores operacionales. De esta manera surge la idea para realizar el prototipo de un invernadero para llevar acabo la práctica de todo lo aprendido a lo largo del semestre dentro del aula. Por las condiciones climáticas de la región él prototipo de invernadero debe mantenerse a la temperatura de 40°c para estar en estabilidad. Al pasar esta temperatura deberá activarse el disipador de calor y de suceder lo contrario deberá entrar en accionamiento automático la resistencia, para la humedad de la superficie al tener una perdida de humedad entrara en función la electroválvula para darle el porcentaje de humedad deseado al suelo donde se encontrara la planta u hortaliza. Lo antes mencionado tendrá un accionamiento automático que será realizado por algunos componentes electrónicos en este caso serán amplificadores operacionales y donde el control PID será el encargado de darle estabilidad al sistema. Por ser un prototipo las dimensiones del invernadero serán en la base 35X35cm En la base, altura de 47cm y techo 37X37 cm. Lo que se desea con el invernadero es simular cierto ambiente o crear un clima controlado debido a las características de nuestra planta la cual necesita estar a una temperatura de estabilidad que será a los 40°c y una humedad de suelo del 80% de esta manera nuestra planta ………… podrá estar en condiciones de crecimiento. El clima promedio en la región son 33°c a la sombra por lo consiguiente necesitamos que la resistencia pueda elevar el calor al igual que los rayos uv que permanecerán dentro del invernadero producto de la malla sombra que concentra el calor dentro del invernadero de misma forma no debe exceder esa temperatura

debido a las afectaciones que pueda tener en la planta lo que se busca es que pueda crecer de manera natural creando un clima artificial dentro del prototipo La electrónica es parte esencial dentro de este proyecto debido a que todo el sistema de control fue elaborado con componentes electrónicos antes vistos a lo largo del semestre es como se justifica que con el usa de cada elemento electrónico con el que fue construido el sistema de control se pondrá en pratica los conocimientos y se evaluara lo aprendido.

Imágenes de la planta De la tarjeta electrónica

Alcances Con la elaboración del prototipo de un invernadero se conocerá a fondo el manejo de los amplificadores operacionales, también se conocerán los problemas y se tendrán bases más solidas para evaluar lo aprendido a lo largo del semestre esto en cuanto a lo académico. En lo personal también se podrá mantener un cultivo dentro del prototipo y plantas que no existen en la región por factores climáticos podrán crecer dentro de un clima artificial creado por los circuitos electrónicos y ciertos componentes.

Limitaciones Todo proyecto está sujeto a limitantes y obstáculos en este no fue la excepción por ser prototipo no se puede plantar mas que plantas pequeñas debido al poco espacio, debido a la zona donde vivimos y a la falta de recursos no se consiguieron a tiempo algunos sensores lo que retraso un poco el armar y probar algunas partes del circuito a buen tiempo. Quizás el problema para calibar el PID fue la limitante más grande para estabilizar el prototipo.

Capitulo 1

Amplificadores operacionales Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O., op-amp u OPAM), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741. El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

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V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad Lo que importa mucho en los amplificadores operaciones son las configuraciones. Acabamos de conocer las característica de los amplificadores y el nombre de sus pines. Ahora mencionaremos las configuraciones necesarias para la elaboración del proyecto asi como una breve descripción de cada configuración.

Integrador ideal

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Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)

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Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador.

Derivador ideal

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Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

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Este circuito también se usa como filtro Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

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Amplificador inversor

Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.

Amplificador Sumador

Este es un ejemplo de un amplificador inversor de ganancia=1 con múltiples entradas. Se pueden utilizar más de dos entradas, por ejemplo en un circuito mezclador de audio. Las resistencias de entrada pueden ser desiguales, dando una suma ponderada.

Amplificador comparador se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia. Como todo amplificador operacional, un comparador estará alimentado por dos fuentes de corriente continua (+Vcc, -Vcc). El comparador hace que, si la tensión de entrada en el borne positivo (en el dibujo, V1) es mayor que la tensión conectada al borne negativo (en el dibujo, V2), la salida (Vout en el dibujo) será igual a +Vcc. En caso contrario, la salida tendrá una tensión -Vcc. Lo podemos resumir de la siguiente manera: si V1 > V2 => (V1-V2)>0 => Vout = +Vcc. si V1 < V2 => (V1-V2) Vout = -Vcc. (Suponiendo que V2 es la tensión de referencia)

Instrumentación y sensores Instrumentación electrónica es la parte de la electrónica, principalmente analógica, que se encarga del diseño y manejo de los aparatos electrónicos y eléctricos, sobre todo para su uso en mediciones. La instrumentación electrónica se aplica en el censado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas. Sensores Un elemento imprescindible para la toma de medidas es el sensor que se encarga de transformar la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en: Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa. Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de su resistencia eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor, que sirve para medir temperaturas. Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la capacidad de un condensador. Un ejemplo es un condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad ante la presencia de ciertas sustancias. Inductivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la inductancia de una bobina. Un ejemplo puede ser una bobina con el núcleo móvil, que puede servir para medir desplazamientos. Activos: los que son capaces de generar su propia energía. A veces también se les llama sensores generadores. Un ejemplo puede ser un transistor en el que la puerta se sustituye por una membrana permeable sólo a algunas sustancias (IsFET), que puede servir para medir concentraciones. Dentro de la instrumentación también encontramos componentes de todo tipo que son indispensables para realizar pruebas y mediciones. Por mencionar algunos encontramos el osciloscopio, milímetro, termómetro, cautín. Sensores electrónicos podemos mensionar los usados durante el proyecto que en este caso fueron los siguientes

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango que abarca desde -55º a +150ºC.El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el mas común es el to-92 de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo.

Este sensor su funcionamiento es con el principio del capacitor,

En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.

Capitulo 1 INVERNADERO ¿Qué es un invernadero? Un invernadero es un espacio con el micro-clima apropiado para el óptimo desarrollo de una plantación específica. Partiendo de un estudio técnico de ambientación climática, es necesario obtener en él, la temperatura, la humedad relativa y la ventilación apropiadas para alcanzar alta productividad a bajo costo, en menos tiempo, sin daño ambiental, protegiendo al cultivo de lluvias, granizo, heladas, insectos o excesos de viento perjudiciales. También debemos conocer lo que es un microclima ya que es lo que queremos hacer con el invernadero. Un microclima es un entorno o ámbito reducido que tiene diferentes condiciones ambientales a las encontradas en la misma área. Por ejemplo, un microclima puede existir cerca de una enorme piedra; porque, al calentarse con la luz solar, la piedra emite calor y, consecuentemente, la temperatura a su alrededor es más alta que la del área localizada a distancia; la piedra, así, define el con-torno de un microclima. De igual forma, la sombra producida por un árbol puede considerarse como microclima, porque la temperatura debajo de un árbol es diferente a la del área en donde éste no provee sombra. También podemos encontrar construcciones hechas por el hombre en las cuales se crean microclimas artificiales una heladera, un horno, una pecera, un invernadero–. Un microclima puede estar tipificado, también, por elementos topográficos, acción del calor, temperatura media anual, humedad, lluvias y vientos, altura sobre el nivel del mar, hidrografía, naturaleza del suelo, potencial electromagnético, espacio atmosférico. Las ventajas del empleo de invernaderos son: • Producción fuera de época. • Posibilidad de obtener más de un ciclo de cultivo al año. • Aumento de la calidad y del rendimiento. • Precocidad en los frutos. • Ahorro de agua y fertilizantes. • Mejora del control de insectos y enfermedades. La elección de un tipo de invernadero se concreta en función de una serie de factores: • Tipo de suelo: Se eligen suelos con buen drenaje y alta calidad –aunque, con los sistemas modernos de fertirriego, es posible utilizar suelos pobres con buen drenaje o con sustratos artificiales–. • Topografía: Son preferibles aquellos lugares con poca pendiente. • Vientos: Es importante la dirección, la intensidad y la velocidad de los vientos

dominantes. • Exigencias bioclimáticas de la especie en cultivo. • Características climáticas de la zona o del área geográfica donde va a construirse. • Disponibilidad de mano de obra (factor humano). • Imperativos económicos locales (merca-do y comercialización). Los invernaderos se pueden clasificar de distintas formas, según se atienda a determinadas características de sus elementos constructivos: • según su perfil externo, • según su fijación o movilidad, • según el material de cubierta, • según el material de la estructura, etc. Para el desarrollo de un invernadero también debemos tomar en cuenta ciertos factores en los que establecemos tres tipos de decisiones que se muestran en la siguiente imagen Tipos de cultivo: Cuando una planta no resulta productiva es porque ha tenido problemas de exceso o falta de humedad, de exceso o falta de temperatura, de exceso o falta de ventilación, de exce-so o falta de luminosidad; es decir, porque ha tenido problemas derivados de la humedad, la temperatura, la iluminación, dados en forma independiente o bien por combi-nación de dos o más de ellos Si consideramos que las plantas son seres vivos, no podemos dejar a la improvisación un aspecto tan clave como su microclima. Si en el espacio cerrado no creamos un microclima favorable al desarrollo de las plantas, la productividad va a reducirse. Cada planta tiene un rango de temperaturas y de humedad relativa dentro del cual producen eficientemente; por debajo o por encima de este rango, las plantas se estresan y su productividad declina. Existen, también, niveles de tolerancia a partir de los cuales se detiene el proceso fotosintético

Sabemos que la temperatura es un factor clave el rango de temperaturas que permite obtener una óptima productividad se encuentra entre los 12 ºC y los 32 ºC de temperatura ambiente. Ahora bien, por de-bajo de los 10 ºC, las plantas suelen detener sus procesos para entrar en un período de latencia o hibernación, proceso que se revierte cuando la temperatura ambiente vuelve a ser estable por encima de los 12 ºC, lo que les permite continuar con su crecimiento. En el otro extremo del rango también podemos tener inconvenientes; por encima de los 35 ºC de temperatura, las plantas reducen su actividad para evitar la deshidratación producida por el excesivo calor. La expresión humedad relativa del aire se refiere al porcentaje de vapor de agua contenido en el aire. En vista de que su fuente normal está localizada en la superficie de la Tierra, el vapor de agua de la atmósfera está, casi siempre, fuertemente concentrado en las capas bajas de la troposfera; y, normalmente, alrededor del 50% del con-tenido total se encuentra por debajo de los 2000 metros. La humedad relativa es una medida del contenido de humedad del aire y, de esta forma, es útil como indicador de evaporación, transpiración y probabilidad de lluvia conectiva. No obstante, los va-lores de humedad relativa tienen la des-ventaja de que dependen fuertemente de la temperatura y de la presión de cada momento; entonces, en las zonas tropicales continentales, en donde las variaciones de la temperatura que se dan entre la mañana y la noche son generalmente grandes, la humedad relativa cambia considerablemente en el curso del día. Si las condiciones climáticas son normales, estas dos variables temperatura y humedad relativa ambiente del invernadero se controlan a través de un sistema de ventilación natural pasivo, es decir, sin consumo de energía: simple-mente, con la apertura de ventanas laterales, las que deben ser lo suficiente-mente amplias como para producir una renovación total del aire del ambiente en el menor tiempo posible, cada vez que el cultivo lo requiere.

Por estos motivos, es importante prestar especial atención al decidir el o los lugares donde deben registrarse los valores de estas variables, ya que de ellas depende la viabilidad de las plantas. La posición y la ubicación de los sensores están relacionadas con las dimensiones del invernadero, por lo que debemos asegurarnos que las mediciones registradas sean representativas del ambiente.

Diseño del invernadero: La construcción de un invernadero sin partir de un diseño previo es una improvisación que puede resultar catastrófica, con los con-siguientes riesgos tanto en lo que hace a la producción agrícola como en cuanto a los resultados económicos. Un incorrecto diseño puede traer como con-secuencia la derivación en problemas en la Sanidad del cultivo que exijan la utilización de agroquímicos, y mayor gasto y menor rendimiento. Un diseño erróneo en cuanto a la ventilación, al control de humedad o al control de temperatura del ambiente, ocasiona la presencia de hongos y, por otra parte, disminuye la calidad y la cantidad de los frutos. Cuando, por ejemplo, los traslapes son muy cortos, quedan espacios que permiten filtraciones de agua. Igual sucede con los canales que no tienen la cavidad correcta, la extensión o la pendiente adecuadas. Vale decir que uno de los principales problemas que afectan a una plantación se deriva del exceso de humedad producida por problemas de diseño. Nos centraremos en los siguientes componentes de diseño: En nuestro caso será un invernadero de tipo cuadrado. Esta estructura está hecha de modo que puedan entrar lateralmente los rayos ultravioleta dentro y se concentre un calor que pueda elevar la temperatura hasta los 40°c que es lo que se desea. Si tiene una orientación clara y el disipador es un ventilador su función en este caso es suministrar aire a temperatura ambiente para bajar la temperatura y la resistencia en forma de foco u lámpara incandescente para elevar la temperatura en caso de no llegar a la deseada con la entrada natural de los rayos UV.

Tenemos que tener en cuenta que el invernadero, como herramienta de producción, exige algunas condiciones para maximizar su aprovechamiento. Debe permitir, por ejemplo, una buena ventilación o circulación de aire, la que favorece el control de la humedad y de la temperatura; en el interior del invernadero, el aire se

calienta por la acción de la energía solar según la estación del año y por la incidencia de las especies que están cultivándose. Esta armazón estructural es la encargada de soportar y transmitir las cargas permanentes y accidentales: peso de la cubierta, el viento, la nieve, los tutores de plantas, los mecanismos y aparatos instalados en su interior —por ejemplo, los que posibilitan la apertura y el cierre de ventanas, techos o puertas, los ventiladores o extractores, los sistemas de riego y atomización del agua, la iluminación artificial, diferentes tipos de de detectores y sensores, etc. La estructura del invernadero es uno de los elementos constructivos que más detenidamente debemos estudiar, desde el punto de vista de su solidez y de su economía, a la hora de definirnos por un determinado tipo de invernadero.

Automatismos involucrados Hasta aquí hemos analizado los requerimientos de los cultivos protegidos a desarrollar en el invernadero y los rasgos fundamentales de su diseño. Nos centraremos, ahora, en los automatismos de ese invernadero. Porque, en él existen variables físicas ambientales que deben ser controladas, según los requerimientos específicos de cada especie vegetal. En términos generales, las variables a controlar son: •

temperatura ambiente

•

humedad relativa ambiente

•

nivel de iluminación

•

Aireación ambiental

Mantener estable y controlado en todo momento a cada uno de estos puntos es la labor de los amplificadores operacionales y del control PID. Los componentes deben actuar según las necesidades del la planta y según como fue diseñada para la temperatura, humedad y para estabilidad del ambiente controlado dentro del invernadero en esta etapa se conocerán las partes del sistema encargado de la automatización dentro del prototipo de invernadero. En la siguiente hoja se puede apreciar el diagrama de bloques como esta conformado el circuito.

DIAGRAMA DE BLOQUES

Voltaje de referencia

Punto suma

Adecuador de la medición

Controlador P.I.D.

Planta

Sensor de temperatura

La parte del voltaje referencial es la aplicada como referencia que en nuestro caso son 4v Que sen el punto suma se sumaran según sea el voltaje a la salida del sensor. El control PID se encargara de estabilizar el sistema esperando obtener un periodo de histéresis donde el sistema este estable y no tengan que intervenir ningún equipo. La señal de salida del PID se compara en un parte de amplificadores operacionales, deberán actuar a la salida de estos otros amplificadores que mandaran la señal a los relevadores para el accionamiento de los equipos según sea la condición. Sabemos que si la temperatura es mayor a 43°c entrara en acción el disipador y la resistencia al bajar cerca de los 37°c.

Capitulo 2 Desarrollo