Informe de práctica (Unidad 1)




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fecha de publicación24.11.2015
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Actividad: Informe de práctica (Unidad 1)

Tema: Sensor de humedad de plantas

Asignatura: Interfaces

Catedrático: ISC. Jorge Ceín Villanueva Guzmán.

Autores (alumnos): equipo 2

  • Luis Enrique Prats Hernández

  • Idolfo Montejo Ocaña

  • Lucio de la Cruz Ramírez

  • Alejandro Castillo López

  • Esaú Hernández Narvaez

  • David Hernández Osorio

Villahermosa, Tabasco, a 5 de Marzo de 2012

Introducción

Sensor viene de la palabra sentir, esto quiere decir que los sensores de una persona son los órganos correspondientes a los sentidos. A través de éstos, tenemos la capacidad de captar información del ambiente, por ejemplo la temperatura, la luz, el color, entre otras. De la misma manera, existen sensores que se utilizan en aplicaciones electrónicas para capturan información del medio ambiente para que una máquina pueda entenderla. Entonces, un sensor es un dispositivo que mide magnitudes físicas o químicas, que llamaremos variables del entorno y las transforma en variables eléctricas para que una máquina, las pueda entender.

Por otro lado, la humedad se encuentra relacionada con la cantidad de agua u otros líquidos presentes en el ambiente o en algún cuerpo. La humedad se presenta a nivel molecular y está relacionada con la cantidad de moléculas de agua presentes en una determinada sustancia.

Los sensores de humedad: Hay aplicaciones que requieren obtener información del grado de concentración de agua que hay en el ambiente o en cierto material. Por ejemplo, en algunos procesos industriales las moléculas de agua pueden cambiar las características de los materiales, como el peso, la conductividad o las dimensiones. En varias aplicaciones agrícolas es necesario conocer el grado de humedad del suelo, con el fin de manejar un sistema de riego adecuado.
El sensor de humedad mide o detecta variables químicas o físicas que determinan el grado de humedad. Existen diferentes métodos para medir el contenido de agua, uno de ellos consiste en tomar una muestra y remover el agua que posea y ver el cambio de peso en dicha muestra. El presente documento presenta un marco teórico más extenso que esta introducción. Pero lo más importante mostramos el desarrollo de un circuito detector de humedad de plantas. Esto con el fin de mostrar el funcionamiento de un sensor (en este caso de humedad). Además, adjunto a éste documento se entrega un video que explica detalladamente la realización y demostración en vivo del circuito.

Objetivo de la práctica

  • Realizar un circuito que demuestre el funcionamiento de un sensor de humedad para plantas y flores.

Marco teórico

SENSORES

Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud física o química del exterior (llamadas variables de instrumentación) y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.

Características de un sensor:

  • 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.

  • Sensibilidad de un sensor: suponiendo si es de entrada o de salida y la variación de la magnitud de entrada.

  • Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse 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.

  • Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

Algunos tipos de sensores:

Sensores de posición:

Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de captadores.

Los captadores fotoeléctricos:

La construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser, etc.) y una célula receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos, fototransistores o LDR etc.

Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz, y en la detección de esta emisión realizada por los fotodetectores.

Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir este tipo de captadores en: captadores por barrera, o captadores por reflexión.

En el siguiente esquema podremos apreciar mejor la diferencia entre estos dos estilos de captadores:

Captadores

  • Captadores por barrera. Estos detectan la existencia de un objeto, porque interfiere la recepción de la señal luminosa.

  • Captadores por reflexión; La señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la presencia de un objeto.

Sensores de contacto:

Estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar.

Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica.

Captadores de circuitos oscilantes:

Este tipo de captadores, se encuentran basados en la existencia de un circuito en el mismo que genera una determinada oscilación a una frecuencia prefijada, cuando en el campo de detección del sensor no existe ningún objeto, el circuito mantiene su oscilación de un manera fija, pero cuando un objeto se encuentra dentro de la zona de detección del mismo, la oscilación deja de producirse, por lo que el objeto es detectado.

Estos tipos de sensores son muy utilizados como detectores de presencia, ya que al no tener partes mecánicas, su robustez al mismo tiempo que su vida útil es elevada.

Sensores por ultrasonidos:

Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los de reflexión.

Captadores de esfuerzos:

Este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor parte en el empleo de galgas extensométrica, que son unos dispositivos que cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica, de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando sobre un determinado objeto.

Sensores de Movimientos:

Este tipo de sensores es uno de los más importantes en robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de las distintas partes que forman el robot, y de esta manera podemos controlar con un grado de precisión elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo.

Dentro de este tipo de sensores podemos encontrar los siguientes:

Sensores de deslizamiento:

Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que fuerza ha de coger un objeto para que este no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente.

Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran instalados en el órgano aprehensor (pinzas), cuando el robot decide coger el objeto, las pinzas lo agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce un pequeño deslizamiento del objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la fuerza de agarre suficiente.

Sensores de Velocidad:

Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma más popular de conocer la velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular, ya que este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión corresponde una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden generar errores en las medidas.

Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor.

Sensores de Aceleración:

Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia, ya que si se produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende ha hacer poner el objeto en movimiento.

Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta con una determinada presión un objeto en su órgano terminal, si al producirse un giro del mismo sobre su base a una determinada velocidad, se provoca una aceleración en todo el brazo, y en especial sobre su órgano terminal, si esta aceleración provoca una fuerza en determinado sentido sobre el objeto que sujeta el robot y esta fuerza no se ve contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el objeto salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria determinada, por lo que el control en cada momento de las aceleraciones a que se encuentran sometidas determinadas partes del robot son muy importantes.

HUMEDAD

Se denomina humedad ambiental a la cantidad de vapor de agua presente en el aire. También se emplea sólo el término humedad para hacer referencia a la cantidad de agua presente en un cuerpo.

Importancia de la medición de la humedad

Podría decirse que la humedad juega un rol en todos los procesos industriales. El solo hecho de que la atmósfera contiene humedad hace que, por lo menos, se estudie su efecto en el almacenamiento y operación de los distintos productos y dispositivos. El alcance que la influencia de la humedad podría tener en cualquier proceso industrial puede variar pero es esencial que al menos sea monitoreada, y en muchos casos controlada. Se puede decir que la humedad es una propiedad más difícil de definir y medir que sus parámetros asociados como pueden ser la presión y temperatura. La medición de la humedad es un proceso verdaderamente analítico en el cual el sensor debe estar en contacto con el ambiente de proceso a diferencia de los sensores de presión y temperatura que invariablemente se encuentran aislados del proceso por protecciones conductoras del calor o diafragmas respectivamente. Esto tiene, por supuesto, implicancias en la contaminación y degradación del sensor en niveles variables dependiendo de la naturaleza del ambiente.

¿Que es un sensor de humedad para plantas?

Es un dispositivo sensor capaz de detectar la cantidad de humedad existente en las plantas y flores. Su funcionamiento resulta aplicable para detectar cuando las plantas necesitan ser hidratadas.

EL CIRCUITO NE555

El circuito integrado 555 es de bajo costo y de grandes prestaciones. Inicialmente fue desarrollado por la firma Signetics. En la actualidad es construido por muchos otros fabricantes. Entre sus aplicaciones principales cabe destacar las de multivibrador estable (dos estados metaestables) y monoestable (un estado estable y otro metaestable), detector de impulsos, etcétera.

Características

Este Circuito Integrado (C.I.) es para los experimentadores y aficionados, un dispositivo barato con el cual pueden hacer muchos proyectos. Este temporizador es tan versátil que se puede utilizar para modular una señal en Amplitud Modulada (A.M.)

Está constituido por una combinación de comparadores lineales, flip-flops (biestables digitales), transistor de descarga y excitador de salida.

Las tensiones de referencia de los comparadores se establecen en 2/3 V para el primer comparador C1 y en 1/3 V para el segundo comparador C2, por medio del divisor de tensión compuesto por 3 resistores iguales R. En el gráfico se muestra el número de pin con su correspondiente función.

En estos días se fabrica una versión CMOS del 555 original, como el Motorola MC1455, que es muy popular. Pero la versión original de los 555 sigue produciéndose con mejoras y algunas variaciones a sus circuitos internos. El 555 está compuesto por 23 transistores, 2 diodos, y 16 resistores encapsulados en silicio. Hay un circuito integrado que se compone de dos temporizadores en una misma unidad, el 556, de 14 pines y el poco conocido 558 que integra cuatro 555 y tiene 16 pines.

Hoy en día, si ha visto algún circuito comercial moderno, no se sorprenda si se encuentra un circuito integrado 555 trabajando en él. Es muy popular para hacer osciladores que sirven como reloj (base de tiempo) para el resto del circuito.

Descripción de las terminales

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e0/555-schem.svg/200px-555-schem.svg.png

  • GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra.

  • Disparo (normalmente la 2): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.

  • Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset (normalmente la 4).

  • Reset (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee".

  • Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por los resistores y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla de control de voltaje puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01μF para evitar las interferencias.

  • Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo.

  • Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.

  • V+ (normalmente la 8): También llamado Vcc, alimentación, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.

¿POR QUÉ SE USA EL CIRCUITO INTEGRADO NE555?

El circuito NE555 o mejor conocido como Timer de precisión por su funcionalidad tiene como aplicaciones: osciladores astables, generadores de rampas, temporizadores secuenciales, etc., consiguiéndose unas temporizaciones muy estables frente a variaciones de tensión de alimentación y de temperatura.

La velocidad de oscilación será proporcional al grado de humedad del material a medir, es decir cuánto más húmedo, más rápida será la oscilación. En el caso del detector de humedad, las puntas de prueba cuando toquen el cuerpo se impregnarán de la humedad de éste, generando entradas de pulsaciones al timer. A mayor humedad se presentará mayor pulsación de salida en el circuito (esto es en la patita OUT).

Materiales y equipo

  • 1 fuente de poder (corriente continua) de 5 a 9 V.

  • 3 resistencias: 220Ω, 500 Ω, 4.7 kΩ.

  • 1 LED de 5 mm de cualquier color.

  • 1 filtro capacitor de 10μF.

  • 1 circuito integrado NE555 (Timer).

  • 1 metro de cable UTP.

  • 1 protoboard

  • 2 vasos de tierra: uno con tierra seca y otro con tierra mojada.

Procedimiento (Diagrama del circuito)

A continuación se muestra el diagrama a realizar con los materiales listados anteriormente:

e:\mis documentos\6o semestre\interfaces\diagrama sensor de humedad.png

Las puntas detectoras, o también llamadas puntas de prueba son las que harán contacto con la tierra mojada y seca, dependiendo en cuál de las dos esté será la reacción del temporizador:

  • Si las puntas de prueba se encuentran en la tierra seca el LED debe apagarse.

  • Si las puntas de prueba se encuentran en la tierra mojada el LED debe encenderse, e incluso podría presentar pulsaciones de encendido, esto es una luz intermitente.

La demostración del funcionamiento del circuito de los autores de éste informe se encuentre anexo en el disco en un video.

Conclusión

Con los resultados obtenidos en esta práctica podemos concluir con lo siguiente:


  • Se puede medir la humedad del suelo utilizando un sensor basado en el principio de conductividad eléctrica.




  • La medición de humedad por este método es fácil y para el cualquier caso estudio resulta con poco margen de error.




  • La elaboración del circuito en el protoboard es sencilla y de bajo costo.




  • La operación y mantenimiento del sensor es también muy sencilla.




  • El circuito puede ser adaptado fácilmente a cualquier tipo de suelo.




  • Aunque la operación del sensor desarrollado en esta práctica es prácticamente manual, no obstante esta se puede automatizar, tomando la señal de corriente desde un computador y de esta manera es posible tener en tiempo real las mediciones de humedad. De esta forma se puede tener un sistema que controle automáticamente un sistema de riego, abriendo válvulas cuando la humedad baje de un cierto porcentaje, perjudicial para las plantas.

Referencias bibliográficas y electrónicas

  • http://r-luis.xbot.es/icdatos/555.html

  • http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado_555

  • http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_humedad

  • http://ingeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca%20Internet/Articulos%20Tecnicos%20de%20Consulta/Instalaciones%20Electricas%20Industriales/Sensores%20de%20Humedad.pdf

  • “Principios de electrónica” - Paul Malvino, Albert. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill.

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