DISEÑO DEL SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO “ADA”

3.1 Introducción al sistema de riego automático “ada”

El sistema deberá modificar de manera automática la duración del riego, en función de la humedad existente en el suelo. A tal fin, el controlador, deberá recibir la información de la variable a controlar (humedad del suelo) a través de un sensor y tomar decisiones: si la humedad resulta menor que la que se necesita, el controlador aumentará el tiempo de riego y, si es mayor, lo disminuirá. De este modo la duración del riego se ajusta de acuerdo con la humedad existente en el suelo.

Para la realización de este sistema se optó por utilizar un sistema a malla cerrada ya que este es el que se adapta a las características requeridas para su diseño. Esto permitirá tener un mejor manejo sobre el riego del cultivo ya que se cuenta con una referencia que es la humedad lo que permitirá tener un control sobre el sistema.

En la figura No 3.1 se muestra el diagrama de bloques del sistema de control que controlará el sistema el riego automático.

Figura No 3.1 Diagrama de control del sistema de riego automatizado.

3.1.3 Diseño del sistema automático

El objetivo del control es mantener una cierta magnitud dentro de un rango o valor preestablecido (set point) sin importar si alguna influencia externa perturba al proceso. En el sistema de control la magnitud a ser medida debe ser controlada e igualada a un valor deseado (set point humedad) y serán visualizadas por medio display LCD. El sensor mide los valores de la humedad del suelo, la señal se acondicionó para que entregue señales eléctricas de 0 a 5V DC. Estas señales eléctricas ingresan al controlador, (PIC 16F877A) para que evalúe los valores de humedad y entregue una señal de salida a un circuito adicional llamado actuador,

ENTRADA DE REFERENCIA

RANGO DE HUMEDAD

MICROCONTROLADOR

PIC16F877A

BOMBA

ELECTROVALVULA

SENSOR DE

HUMEDAD

SALIDA

ALIMENTACION

VDC

el cual está acondicionado para que se pueda conectar a los elementos de control final que es la electroválvula y la bomba.

3.2 Diagrama general del sistema

En la Figura No. 3.2 se muestra el diagrama general construido a partir de los elementos mencionados anteriormente, para el funcionamiento del sistema. El punto de partida es la lectura del sensor que nos entrega un voltaje proporcional a la humedad existente, este voltaje representa la señal analógica de entrada hacia el microcontrolador de 5 VDC, conectándose en las terminales AN0 en el módulo de entradas analógicas (conversor A/D).

Luego el microcontrolador lee la entrada analógica, ejecuta el programa y toma la decisión de acuerdo a las instrucciones, para activar o desactivar el Relé de la bomba para regar o no, según convenga. Cada elemento del sistema de control es representado como un bloque.

Figura No 3.2 Diagrama de bloques del sistema controlador

DISPLAY LCD

MIROCONTROLADOR

PIC16F877A

SENSOR DE

HUMEDAD

VAC

ETAPA DE

POTENCIA

ELECTROVALVULA

Y BOMA

CONVERTIDOR

A/D

LED INDICADOR

Figura No 3.3 Diagrama general del sistema automático para riego

En la figura No 3.3 se muestra los bloques que conforma el sistema de riego automático de manera general y estos constituidos por los siguientes elementos:

Bloque de sensado

Bloque de control

Bloque de operación

Bloque de sensado

Este bloque está conformado por el sensor de humedad que mantendrá una comunicación constante con el dispositivo microcontrolador (Bloque de control).

La función principal de este bloque es sensar la humedad presente en el suelo del cultivo en intervalos de tiempos, esto con la finalidad de indicarle al bloque de control (microcontrolador) en qué momento es necesario activar la bomba y la electroválvula de paso para así comenzar con el riego del cultivo.

El proceso de sensado comienza una vez se haya puesto en marcha el sistema de control, el sensor mandara una señal analógica de la humedad del suelo al microcontolador que lo recibirá por su entrada ADC, este comparará el valor de referencia entregado por el sensor y el de su programación para así tomar las decisiones correctas y encender la bomba y activar la electroválvula.

Bloque de control

El bloque de control al igual que el de sensado es muy importante dentro del sistema automático, está conformado por el cerebro del sistema el microcontrolador.

La función de este bloque es la de controlar el sistema en general, permite accionar la bomba de agua y la electroválvula si así lo requiere el sistema. El microcontrolar

BLOQUE DE SENSADO

SENSOR DE HUMEDAD

BLOQUE DE CONTROL

MICROCONTROLADOR

BLOQUE DE

OPERACION

BOMA DE AGUA Y

ELECTROVALVULA

COMUNICACIÓN

es programado previamente, esto con la finalidad de tener un control sobre los distintos dispositivos conectados a él.

Las señales recibidas del bloque de sensado (sensor de humedad) son manipuladas por el microcontrolador a través de su convertidor analógico digital, de esta manera el microcontrolador toma la decisión para accionar la bomba de agua y la electroválvula para comenzar con el riego del cultivo. Por otra parte los datos que se reciben por parte del sensor de humedad son mostrados en pantalla LCD, donde el usuario podrá ver el estado de la humedad así como saber si se está regando.

Bloque de operación

El bloque de operación es la parte donde entra en funcionamiento los actuadores del sistema, que está compuesto por la bomba de agua y la electroválvula.

Este bloque entra en funcionamiento solo si el bloque de control así lo requiere, ya que para que se accione la bomba y la electroválvula será necesario que el microcontrolador mande una señal que active dichos actuadores.

La función principal de este bloque está dividida en dos partes una es la bomba y otra de la electroválvula.

La bomba al ser accionada sacará agua de un pozo y la conducirá a través de una tubería hasta la electroválvula de paso. Por su parte la electroválvula al activarse casi simultáneamente con la bomba, abrirá paso al agua a través de las tuberías así comenzar con el riego del cultivo.

3.3 Etapas que conforman el sistema de riego automático

El sistema de riego automatizado contara con ciertas etapas que permitirán el funcionamiento idóneo del sistema.

1. Voltaje de alimentación.

2. Visualización en el diaplay LCD.

3. Etapa del sensor de humedad.

4. Etapa de potencia para el control de la electroválvula y bomba.

3.3.1 Etapa de alimentación del pic

El sistema cuenta con una etapa de alimentación de 5 volts, la cual está conformada por un regulador de voltaje a 5v y que es la que alimentará al PIC que controla el riego del cultivo. Según la hoja de especificaciones del PIC16F877A (Anexo A) el rango de voltaje de operación va de 2v a 5.5v de corriente continua para asegurar que este voltaje no sea excedido se utiliza el integrado regulador de voltaje 7805 (Figura No. 3.4).

Figura No 3.4 Características de regulador 7805

En la figura No. 3.5 se muestra el circuito utilizado para la alimentación del controlador. Se armó una fuente de alimentación de 5 volts para dicho propósito. Se utilizaron distintos componentes para lograr el voltaje requerido, con esto se asegura el funcionamiento idóneo del microcontrolador.

Figura No 3.5 Fuente de 5v para el microcontrolador.

3.3.2 Etapa de visualización en el diaplay lcd 2x16

En la figura No 3.6 se muestra el circuito de la pantalla LCD que es utilizada para visualizar la información proveniente de los sensores de humedad.

La pantalla permitirá al usuario poder visualizar el estado del cultivo con lo que se dará cuenta si estas están siendo regadas por falta de agua o si su humedad es la correcta y por lo tanto no necesita del riego. Esta esta es de suma importancia para el que el usuario monitoree si todo funciona correctamente.

Para controlar el brillo de la pantalla se colocó un potenciómetro de 10KΩ, la conexión de los pines se realiza como indica la hoja de datos del fabricante. Para el envío de datos se ha empleado un bus de 4 bits, su funcionamiento se realiza enviando primero los 4 bits más altos y luego los 4 más bajos. De esta forma el pic permanece en constate comunicación con el lcd y siempre mostrara los datos de humedad en el suelo.

Figura No 3.6 Circuito del LCD 2x16

Como se muestra en la figura No 3.6, el lcd muestra la cantidad de humedad en porcentajes la cual proviene directa mente del sensor de humedad el cual proporciona un valor analógico que se va por la entrada AN0 del convertidor A/D del microcontrolador.

El valor de la humedad es mostrado en la pantalla lcd, así es como se muestra en la pantalla el valor correspondiente a la humedad del suelo.

3.3.3 Etapa del sensor de humedad (sensado de la humedad)

Para esta etapa se utilizó un sensor de humedad para suelo HL-69, este sensor puede leer la cantidad de humedad presente en el suelo que lo rodea. El sensor de humedad nos proporcionará los datos necesarios para la medición de la humedad del suelo.

El sensor está formado por dos placas separadas entre sí por una distancia determinada, ambas placas están recubiertas de una capa de material conductor. Cuando haya humedad en el suelo se creará un puente entre una punta y otra, lo que será detectado por un circuito de control con un amplificador operacional que será el encargado de transformar la conductividad registrada a un valor analógico que podrá ser leído por el microcontrolador en su entrada AN0 que corresponde al convertidor A/D. De esta manera el sensor se comunicará con el microcontrolador para registrar las mediciones de humedad presentes en el suelo del cultivo.

En la figura No 3.7 se muestra como el sensor mantiene una comunicación con el microcontrolador. Mediante las placas con las que cuenta el sensor, se registra la humedad que presenta el suelo y por medio de un módulo en el sensor mandará la señal analógica al pic16f877a.

Figura No 3.7 Comunicación entre pic y sensor

Ya que el sensor cuenta con dos salidas una digital y una analógica se utilizó la salida analógica por que el nivel de voltaje dependerá directamente de cuanta humedad haya en el suelo. Es decir, dependiendo de cuanta conductividad

PIC

16F877A

MODULO

DEL SENSOR

HUMEDAD

DEL

SUELO

COMUNICACIÓN

(producto del agua en el suelo) haya entre las puntas del módulo, así variará el valor entregado por el microcontrolador (entre 0 y 1023).

La conexión entre el PIC y el sensor de humedad se muestra en la figura No 3.8, se utilizó la entrada del pic AN0, de esta forma se mantendrá una comunicación continua entre ambos. Esta etapa es fundamental para el control del sistema de riego.

Figura No 3.8 Conexión entre pic y sensor de humedad

3.3.4 Etapa de potencia para el control de la electroválvula y la bomba

Para el control de la bomba y la electroválvula fue necesario realizar una etapa de potencia ya que la alimentación de estos componentes es de AC (corriente alterna) y la alimentación del sistemas de control no es suficiente para accionar estos elementos.

El circuito de potencia es el que se encargara de manejar los elementos finales de control que son la bomba para riego y la electroválvula que dará paso al agua que fluye por la tubería. El circuito de potencia está compuesta por 2 optoacopladores (1 para cada línea de salida) los cuales son encargados de aislar el circuito de fuerza que trabaja con AC del de control, de este modo se evitará que perturbaciones provenientes del funcionamiento de los relés ingresen a la parte de control y alteren el funcionamiento del sistema o lo dañe. Además esta etapa cuenta con 2 Relés con una bobina a 5V los cuales son capaces de manejar una corriente de 10A/125/250VAC entre sus contactos, en conjunto con 2 transistores 2N3904 los cuales funcionan en corte y saturación, 2 diodos 1N4001 cuya función es proteger

a los transistores y circuitos integrados de un breve sobre voltaje que se produce cuando la bobina de un relé es apagada. El esquema del circuito de control y fuerza que activa la bomba y la electroválvula se puede observar en la figura No 3.9.

Figura No 3.9 Circuito de activación de bomba y electroválvula

Para que la etapa de potencia entre en funcionamiento el controlador mandará una señal de voltaje a una de las entradas del optoacoplador el cual se pondrá en funcionamiento accionando el circuito que enviara una señal al transistor y este a la ves polarizara la bobina del relevador cerrando el circuito para que la bomba y la electroválvula entren en funcionamiento. Las conexiones se muestran en la figura No 3.10.

Figura No 3.10 Conexión entre el pic y la etapa de potencia.

3.4 Funcionamiento del sistema

Con el microcontrolador PIC16F877A, se controlará un sistema que hará la automatización de riego, en base a datos con la información de las condiciones óptimas de lo que se deseé regar, estas condiciones pueden ser la humedad necesaria, y cada cuanto tiempo se riega.

Estos datos se encontrarán realizando muestras de humedad de suelo, en donde el sensor a utilizar nos entregará una señal analógica de voltaje y ésta a su vez es recibida por el microcontrolador, para posteriormente ser interpretada por el usuario. El sistema hace la comparación entre humedad real (lectura del sensor) y humedad óptima determinada por el usuario. Durante el proceso de riego el sensor estará haciendo su función, detectar el grado de humedad hasta llegar a la óptima y cuando esto suceda se interrumpirá el riego, volviéndolo activar cuando el programa lo requiera según el valor de la lectura del sensor.

Para el usuario que utiliza el sistema pueda visualizar los valores de tiempo y de humedad que se obtienen del sistema o que desea ingresar para ejecutar el sistema se utiliza un display LCD.

Cuando el controlador es encendido en el display se muestra un mensaje de bienvenida. Seguido de un mensaje si se desea ejecutar algún tiempo de riego o utilizar el sensor de humedad para controlar el riego. Cuando el usuario decide hacer alguna opción el sistema se activará y comenzara el programa de riego, activando el funcionamiento de los relés que proveen el voltaje par la electroválvula y a su vez activara la bomba que llevará el agua de un de un pozo por la tubería hasta las tuberías que regaran las plantas. El estado del proceso de riego será mostrado nuevamente en el display. El valor de la humedad se muestra permanentemente en el display hasta finalizar el proceso, una vez que se desactive el relé se mostrara un nuevo mensaje de riego finalizado.

3.5 Desarrollo del programa de control para el micro controlador

Para el desarrollo del programa de control del PIC 16F877A se utilizó el compilador CCS que es un lenguaje de alto nivel, este nos permitirá programar y compilar el programa para generar el código hex necesario para grabar en el microcontrolador y realice el control del sistema.

3.5.1 Descripción del programa principal

El programa comienza con las configuraciones esenciales iniciales del puerto de entrada A/D, y salidas de señal de control, declaraciones de variables y constantes cuyos detalles se encuentran en el Anexo B “Código de programación del Microcontrolador 16f877a”.

Cuando el microcontrolador recibe la señal de voltaje generada en el sensor de humedad por el puerto del conversor A/D, esta señal es digitalizada y el valor digital es comparado con cada uno de los rangos definidos en el programa y de acuerdo en que rango se encuentre, se toma una acción para abrir o cerrar la electroválvula y la bomba. Las muestras de la humedad del suelo de cultivo a través del sensor son tomadas en todo instante de tiempo y procesadas por el microcontrolador. Esta parte esencial del código se muestra en la figura No 3.11.

Figura No 3.11 Código de control del sensor

3.6 Simulación en Proteus

Para comprobar el funcionamiento del programa, así como del circuito general de

sistema de riego, se procedió a simularlo en el ISIS proteus 8 el cual es una

herramienta que ayuda a detectar fallas o comprobar si todo funciona como se

esperaba.

Los resultados que nos proporcionó la simulación fueron favorables, se pudo

observar que cuando el microcontrolador obtiene los valores del sensor por su

entrada analógica/digital en la pantalla lcd se muestra los valores de humedad como

se esperaba. Una vez rebasado el límite de la humedad considerada en el programa

se activa la etapa de potencia encendiendo el relevador que da paso a la corriente

alterna que alimenta al motor y la electroválvula.

En la figura No 3.12 se muestra la simulación realizada en proteus con los

componentes que se ocuparan y área de trabajo donde se realizó.

Figura No 3.12 Simulación en Proteus