TALLER DE INVESTIGACIÓN I“DISEÑO DE UN SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO PARA LAS AREAS VERDES DEL ITSAL” “SARPI” ASESORA: MC. SUSANA MONICA ROMÁN NÁJERA PRESENTA: CASTRO LEÓN GUSTAVO IVAN FERMÍN GARCÍA MARILY HERNÁNDEZ LÓPEZ ROSALBA GRADO: “VI” GRUPO: “C” ING. ELECTRÓNICA SALINA CRUZ OAXACA, A 06-06-13 CONTENIDO Introducción Objetivo Justificación Planteamiento del problema Marco teórico Cronograma Capítulo I Generalidades de los sistemas de riego Capítulo II Introducción a los Microcontroladores Capítulo III Diseño del sistema de riego Capítulo IV Elaboración del prototipo Conclusiones Bibliografía Otras fuentes consultadas INTRODUCCIÓN El siguiente proyecto se enfoca al diseño de un sistema de riego por aspersión y goteo de manera automatizada en base a PIC’s, con el fin de preservar las áreas verdes del Tecnológico de Salina Cruz, que se encuentra localizado en San Antonio Monterrey. En el capítulo 1 Generalidades de los sistemas de riego. Se encuentran los conceptos básicos necesarios para poder interpretar y comprender el presente documento comenzando con una breve historia de los sistemas de riego, como estos han ido mejorando día a día que en la actualidad ya son automatizados, además de mencionar los diferentes tipos de sistemas de riego que existen. El proyecto solo se enfoca de manera más detallada a solo dos tipos de sistemas de riego (por aspersión y goteo) mencionando así las características, ventajas y desventajas de cada uno de ellos entre otros conceptos. En el capítulo 2 . Se presenta información sobre los PIC´s, que va desde conceptos básicos como son ¿Qué es un PIC´s? estos son microcontroladores que tienen la ventaja de ser fácilmente programados y pueden desarrollar muchas funciones. Las familias que existen dentro de este ámbito ya sean de gama baja, media y alta, entre otras características referentes a los microcontroladores. OBJETIVO GENERAL “Diseñar un sistema de control automatizado en base a PIC’S para el riego de las áreas verdes del Instituto Tecnológico de Salina Cruz”. ESPECÍFICOS Analizar el estado en que se encuentran las áreas verdes del tecnológico. Dividir por secciones las áreas verdes del plantel. Recopilar información acerca de los diversos sistemas de riego que existen. Seleccionar el sistema de riego apropiado, para el Tecnológico. Identificar el PIC con el que se ha de realizar la programación de nuestro proyecto. Seleccionar los materiales a utilizar en el sistema de riego elegido. Definir un lugar específico para la construcción del tanque donde se almacenara el agua del pozo, para después distribuirla. Medir las extensiones de las áreas verdes así como la distancia que hay entre el almacenamiento de agua y estas. Estructurar la distribución de las tuberías para cada una de las secciones de dichas áreas verdes. Calcular la presión con que el agua saldrá para regar cada sección. Programar el PIC para llevar a cabo el sistema de riego automatizado en el tecnológico. Simular para ver si el funcionamiento es el deseado. Construir el prototipo del sistema del control de riego automatizado para el Tecnológico. JUSTIFICACIÓN El proyecto que se presenta tiene como finalidad cubrir una o tal vez más necesidades del tecnológico. Enfocándose al ambiente y a la tecnología por tal motivo, es importante justificar nuestro proyecto de Sistema de control automatizado de riego para el Instituto Tecnológico de Salina Cruz. Disminuye como ya se mencionó mucho tiempo, gastos en nuevas mangueras u otros artículos para la transportación del agua, disminuye en gran manera la falta de riego en la totalidad de las áreas verdes, y disminuye el gasto de agua. Lo interesante de este sistema es que ofrece muchas ventajas las cuales se pueden aprovechar al máximo, el sistema de riego en su totalidad es automatizado algo que ya no preocupara al trabajador de ir a encender de forma manual una bomba que succiona el agua y correr hasta el otro extremo para controlar la manguera, que por decirlo este es el proceso tecnológico el cual se utilizaba. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Aunque los jardines son espacios artificiales diseñados y creados por el hombre para fomentar el esparcimiento, se requiere de ellos para disminuir el impacto ambiental y la pérdida de ecosistemas y sus servicios. Este problema es causado por la población y las necesidades generadas por esta, como la construcción de edificios, generación de residuos, etc. En el caso del Tecnológico de Salina Cruz, cuentas con varias áreas verdes, donde el suelo se encuentra erosionado y compactado, dificultando el desarrollo de las plantas, este problema se debe al poco tiempo que el tecnológico se encuentra laborando en su actual ubicación, ya que hace 8 años compartía las aulas con el CETMAR 05. Por lo cual se ha propuesto realizar un sistema de riego automatizado para mejorar las áreas verdes. El riego consiste en aportar agua al suelo para que las plantas tengan el suministro que necesitan favoreciendo así su crecimiento. El problema empieza con el escases de agua en la Institución, por la falta de material, todos estos aspectos se incluyen en el problema de riego, uno de los principales factores son: • Cuando vamos al campo de la escuela, vemos árboles que están en el camino, en específico los arboles de coco, están en completo abandono y sumo descuido ya que no existe un personal asignado para su cuidado de riego. • La distancia del pozo es algo retirada a los espacios de las áreas verdes, en especial a las áreas donde se encuentran las palmeras, y atrás del nuevo edifico. • El material de riego no da abasto, para todas las áreas de la Institución, es decir las mangueras no llegan a los lugares retirados. • Solo se riegan manualmente las plantas que están enfrente de los edificios y se olvidan del resto de las áreas verdes del plantel. Entre otros factores incluyentes; El sistema de riego consiste en aportar agua al suelo para que las plantas tengan el suministro que necesitan favoreciendo así su crecimiento. Todo esto en base a la implementación de crear un sistema de riego automatizado, que cuente con un sistema completo, el cual constara de tuberías, llaves, válvulas, sensores, etc. Para esto se ha divido en tres secciones las áreas verdes del tecnológico, se regaran a través de riego por aspersión las áreas en las que se cuenta con pasto y por goteo las hileras de los árboles de coco. Las tuberías saldrán del pozo, hacia las áreas específicas, las llaves controlaran el acceso del agua extraído del pozo, las válvulas se activaran en base al sensor que se adaptara a cada una de ellas. Posteriormente pretendemos asignar un rol específico controlado por el departamento de intendencia para ver que desde ahí se vigile y controle el funcionamiento del riego a distancia. Se ha programado el sistema para que diariamente se rieguen las áreas de 6 a 7 am, pero se ha incluido la opción de configurarlo para una hora diferente a la ya programada. Esto con la finalidad de tener una mejora de distribución de las plantas (áreas verdes) de nuestra Institución, y tener un sistema de control en nuestro plantel. DIAGRAMA DE ISHIKAWA ÁRBOL DEL PROBLEMA MARCO TEÓRICO SISTEMA DE RIEGO Al dominar la conducción del agua, construyendo presas en los ríos, llevando el agua donde había buena tierra se inicia la agricultura de regadío. Con la agricultura nace una nueva revolución para el hombre, el dominio del agua, el arte del riego, el conseguir comida sin tener que hacer grandes migraciones. Los sistemas de riego automático son una herramienta cómoda para los propietarios de viviendas ya que aportan la cantidad de agua adecuada al lugar correspondiente con un esfuerzo mínimo por parte del propietario. La mayoría de los sistemas automáticos utilizan varios tipos de métodos para el suministro de agua, siendo dos de los más comunes los aspersores emergentes que se introducen en el terreno cuando se termina el ciclo de riego, y el riego localizado, que utiliza microcomponentes para suministrar agua a menor velocidad. Regar manualmente con manguera produce probablemente un exceso de agua en la zona ajardinada, desperdiciando agua que se evapora o se va a las canalizaciones, o simplemente utilizando más agua de la necesaria para mantener la salud de las plantas. Una de las mayores ventajas de un sistema de riego automático es la capacidad para aportar distintas cantidades de agua a diferentes plantas a una velocidad que pueda absorberla. Un sistema de riego automático eficaz, ya sea subterráneo, localizado o una combinación, asegurará que se aplique la cantidad de agua adecuada a cada zona de un jardín. Para el óptimo manejo del riego es conveniente disponer de sistemas automáticos de control, que pueden ayudar a conseguir mejoras sustanciales como: *Ahorro de mano de obra, agua y energía, mayor eficiencia de riego. *Control de operaciones anexas al riego (facturación del agua consumida). *Reducción de costes de instalación y mantenimiento (detección de fallos y la *Protección de los diferentes componentes del sistema de riego). *Posible aumento de producción. EN FUNCIÓN DEL TIPO DE EMISOR UTILIZADO Y SU COLOCACIÓN SE DISTINGUEN TRES TIPOS DE RIEGO: *Por goteo. *Por tuberías emisoras. *Por micro aspersión y micro difusión. EL RIEGO POR GOTEO: Es el sistema de riego localizado más popular. El agua circula a presión por la instalación hasta llegar a los goteros, en los que se pierde presión y velocidad, saliendo gota a gota. Las ventajas del riego por goteo son: 1.- Los sistemas de riego por goteo son apropiados para los campos de forma irregular o donde la topografía o textura del suelo no es uniforme. 2.- El riego por goteo es útil si el agua es escasa o costosa La aplicación de nutrientes es más precisa con el riego por goteo. Las desventajas del sistema de riego son: 1.- Por lo general, la instalación de un sistema de riego por goteo cuesta entre $2,965 a $4,200 por hectárea. 2.- Una de las razones por la gran variabilidad en el costo por hectárea o acre de las mangueras de goteo es la diferencia en la distancia entre hileras de plantas. El riego por tuberías Emisoras: se caracteriza por la instalación de tuberías emisoras sobre la superficie del suelo creando una banda continua de suelo humedecido y no en puntos localizados como en el riego por goteo. El riego Micro Aspersión y Micro Difusión: El agua se aplica sobre la superficie del suelo en forma de lluvia muy fina, mojando una zona determinada que depende del alcance de cada emisor. Con este método el agua se aplica al suelo en forma de lluvia utilizando unos dispositivos de emisión de agua, denominados aspersores, que generan un chorro de agua pulverizada en gotas. El agua sale por los aspersores dotada de presión y llega hasta ellos a través de una red de tuberías cuya complejidad y longitud depende de la dimensión y la configuración de la parcela a regar. Dentro de los riegos por aspersión tenemos: •De pequeña aspersión (de 2,5 a 4 atm). •De pequeña aspersión (de 0,3 a 2 atm). Las ventajas del sistema de riego por aspersión son: 1.- Ahorro en mano de obra. 2.- Adaptación al terreno. Las desventajas del Sistema de riego por aspersión son: 1.- Daños a las hojas y a las flores 2.- Requiere una inversión importante 3.- Aumento de enfermedades y propagación de hongos MICROCONTROLADORES Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Clasificación: Se clasifican en cuatro gamas, que se diferencian en el número de bits de sus instrucciones. La gama baja (Base Line) posee instrucciones de 12 bits, la gama media de 14 bits y las gamas alta y mejorada de 16 bits. Cada una de las gamas se puede dividir a su vez en varios grupos de microcontroladores que poseen características comunes. En las figuras 1 y 2 se muestran los encapsulados de los principales microcontroladores PIC y la denominación de cada una de sus terminales. Es importante tener en cuenta esta información para programar los PIC. Figura 1 familias de microcontroladores PIC a) 8 terminales; b) 18 terminales Figura 2 familias de microcontroladores PIC a) 28 terminales; b) 40 terminales Entre los recursos más comunes se encuentran a los siguientes: a) Circuito de reloj, encargado de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. b) Temporizadores, orientados a controlar tiempos. c) Perro Guardián («watchdog»), destinado a provocar una re inicialización cuando el programa queda bloqueado. d) Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. e) Comparadores analógicos, para verificar el valor de una señal analógica. f) Sistema de protección ante fallos de la alimentación. g) Estado de Reposo, en el que el sistema queda «congelado» y el consumo de energía se reduce al mínimo. DISEÑO DE UN SISTEMA DE RIEGO 1.- El primer paso para diseñar un sistema de riego es medir la e indicar la ubicación de las electroválvulas y la tubería. 2.- Dibujar un plano del terreno a escala en el papel cuadriculado facilitado. 3.- El plano, divida el terreno en áreas. Las áreas deberán ser cuadrados o rectángulos y lo más grandes posibles. 4.- Se deberá determinar la Capacidad de Diseño del Sistema adecuada 5.-verificar la presión de agua 6.- Selección de los aspersores a utilizar 7.-Se decide en qué lugar instalar los aspersores y difusores 8.- Ubicación de las válvulas y tamaños de los tubos CRONOGRAMA ENE FEB MAR ABR MAY JUN CRONOGRAMA Se 3 Se 4 Se 5 Se 6 Se 7 Se 8 Se 9 Se 10 Se 11 Se 12 Se 13 Se 14 Se 15 Se 16 Se 17 Se 18 Se19 Se 20 Se 21 Se 22 Se 23 Se 24 Se 25 Se 26 Definición del problema Investigación teórica Propuesta de solución Diseño del proyecto Pruebas Elaboración del prototipo Reporte CAPÍTULO III IMPLEMENTACION Y PRUEBAS DEL SISTEMA DISEÑO EN PROTEUS Para continuar con el diseño se requiere de la instalación previa del programa Proteus 7.7, y se selecciona cada uno de los componentes a utilizar y la cantidad de componentes así como su valor en el caso de las resistencias, después de tener los elementos a utilizar se hacen las conexiones correspondientes. Para el diseño del sistema de riego en el Proteus se utilizara un microcontrolador 16f877a, un LCD, 7 resistencias con valor de 260 ohm, 2 leds representaran las bombas, 2 pushbutton que se usaran para cambiar las horas o minutos respectivamente y 3 switches en los cuales 2 serán para el alto y bajo del sensor de nivel del tanque y el otro para el paro de emergencia. Uniendo todos los componentes mencionados anteriormente se tendrá el diseño que se muestra en la figura No. 4.2. Figura No. 4.2 Diseño en Proteus del sistema de riego Se compila el programa que se ha realizado con anterioridad, al ejecutarse en el Proteus se ve el funcionamiento de cada uno de los componentes, si algún funcionamiento es incorrecto se regresa al PIC C Compiler para hacer las correcciones que se desee. IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS Una vez que se tiene el correcto funcionamiento del circuito en el Proteus se procede a la implementación en el protoboard, para la implementación en el protoboard se necesitara de algunos componentes extras que en el Proteus no se anexaron, en la tabla No. 4.3 se muestran los materiales que se utilizan para la implementación. MATERIALES 1 Protoboard 1 PIC 16f877a 1 LCD 1 Potenciómetro de 5 k 1 Cristal de 4 Mhz 2 Capacitores cerámicos de 22 picofaradios 3 Pushbutton 8 Resistencias de 220 y 330 ohm 2 Leds 1 Switch 2 Opto acopladores 2 relevadores de 12 volts Una fuete de 5 volt Una fuente de 12 volts Cable UTP 2 Bombas de pecera Pines Conector hembra y macho Tabla No 4.3 Lista de materiales Una vez que se tienen los materiales se procede a las conexiones en el protoboard, guiándose del diseño realizado en el Proteus, al realizarse las conexiones se tuvieron los resultados deseados por tal motivo se anexaron los componentes que en Proteus no se presentaron. La implementación con esta primera prueba se muestra en la figura No 4.3. Figura No. 4.3 Implementación del sistema de riego. Para llegar a la implementación final se anexan los opto acopladores en lugar de los led y los relevadores de 12 volts, esta parte del circuito es la etapa de potencia, ya que los opto acopladores se encargaran de activar el relevador de 12 volts y este a su vez activara las bombas para transportar el agua del primer recipiente al segundo y en el tiempo indicado por el programador se activara la segunda bomba que pasara el agua del segundo recipiente a los tres recipientes que representaran las tres secciones en la que fue dividido el Instituto Tecnológico. Para controlar la intensidad del LCD se conectara el potenciómetro en las terminales 1 (-), 2(+) y 3 del LCD. En el diseño con Proteus se utilizaban 3 switches, pero en la implementación se utilizara únicamente uno, que será el botón de paro del sistema de riego, los otros dos switches se sustituirán por cable UTP que representaran el sensor del nivel del tanque tanto el sensor bajo como el sensor alto. La implementación final del sistema de riego en el protoboard se muestra en la figura No 4.4. Figura No. 4.4 Implementación final del sistema de riego. ELABORACIÓN DE LA MAQUETA E INSTALACIÓN DEL CIRCUITO. El circuito ha funcionado correctamente, ahora se procede a la elaboración de la maqueta, para poder instalar el circuito en ella y ver el funcionamiento de las bombas y si el sistema de riego funciona como se tenía previsto. La maqueta terminada se muestra en la figura No. 4.5 POZO SECCION B SECCION A SISTERNA SECCION C MANDO DE CONTROL Figura No. 4.5 Maqueta del sistema de riego. PLANO DEL ITSAL CONCLUSIONES El diseño permitió poder aplicar conocimientos adquiridos durante la carrera de electrónica, como la programación de microcontroladores, sistemas de control entre otras materias y en base a esto se pudo cumplir con el objetivo principal que era diseñar un sistema de riego automatizado para las áreas verdes del Tecnológico de Salina Cruz, cabe mencionar que con un sistema de riego automatizado se regaran dichas áreas de manera más rápida y en menor tiempo, incluso hasta las áreas más lejanas lo cual podrá posibilitar la ampliación o habilitación de ellas. Con este proyecto se obtuvo los resultados previstos, dando a demostrar a través de un prototipo que el Tecnológico puede llegar a contar con su propio sistema de riego mismo que mantendrá las áreas verdes en buen estado y de esta manera mejorar la presentación del Instituto. Al construir el circuito y anexarles los componentes que en el diseño con el Proteus no se incluían, la etapa de potencia no funcionaba ya que para esta etapa se había propuesto usar transistores, al no activar el transistor los relevador, se cambió por optoacopladores, ya que estos componentes se habían utilizado en otra materia para activar motores, se cambió y los resultados fueron los adecuados, por tal motivo la etapa de potencia se elabora con optoacopladores quienes activan los relevadores y estos a su vez activan las bombas. El diseño del proyecto de sistema de riego, permitió aplicar algunos de los conocimientos aprendidos a lo largo de nuestro trayecto como estudiante, cumpliendo así nuestro principal objetivó lograr diseñar un sistema de riego para el ITSAL. Es bien sabido que en estos tiempos es mejor automatizar las cosas ya que la automatización permite un mejor desarrollo y ayuda a facilitar los trabajos de las personas al no hacer o realizar las actividades como por lo general por costumbre hacer las cosas manualmente. Por eso en la elaboración de este proyecto para el ITSAL se busca ahorrar agua y mantener las plantas en mejores condiciones de riego. BIBLIOGRAFÍA •Alberto, M. O. (1985). MANUAL DE RIEGO. México DF: alfaguara. •Enrique Mandado Pérez, L. M. (2007). MICROCONTROLADORES PIC. SISTEMA INTEGRADO PARA EL AUTOAPRENDIZAJE. Barcelona: ediciones técnicas, marcombo. •Kuo, B. C. (1996). SISTEMAS DE CONTROL AUTOMATICO. México: PRENTICEHALL. OTRAS FUENTES CONSULTADAS Microchip. MANUAL DEL PIC 16F87X “EL EQUIPO LES AGRADECE LA ATENCIÓN PRESTADA” TALLER DE INVESTIGACIÓN I “DISEÑO DE UN SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO PARA LAS AREAS VERDES DEL ITSAL” SARPI ASESORA: MC. SUSANA MONICA ROMÁN NÁJERA PRESENTA: CASTRO LEÓN GUSTAVO IVAN FERMÍN GARCÍA MARILY HERNANDEZ LOPÉZ ROSALBA GRUPO: VI-C ING. ELECTRÓNICA Salina Cruz, Oaxaca, Junio de 2013. ÍNDICE CONTENIDO PÁGINA Introducción .............................................................................................. I Objetivo .................................................................................................... IV Justificación .............................................................................................. V Planteamiento del problema ..................................................................... VII Marco teórico............................................................................................ X Cronograma ............................................................................................. XVI CAPÍTULO I GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE RIEGO 1.1 Historia de los sistemas de riego........................................................ 2 1.2 Sistemas de riego automatizados ...................................................... 3 1.3 Nivel de automatización ..................................................................... 5 1.4 Tipos de sistemas de riego ................................................................ 9 1.4.1Riego por aspersión ................................................................... 12 1.4.2 Riego por goteo ......................................................................... 16 CAPÍTULO II INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Controlador y microcontrolador .......................................................... 22 Diferencia entre microcontrolador y microprocesador ........................ 23 Aplicación de los microcontroladores ................................................. 25 El mercado de los microncontroladores ............................................. 25 ¿Qué microcontrolador emplear? ...................................................... 26 Recursos comunes a todos los microcontroladores ........................... 28 2.6.1 Arquitectura básica .................................................................. 29 2.6.2 El procesador o UCP ............................................................... 29 2.6.3 Memoria ................................................................................... 30 2.6.4 Puertas de entrada y de salida ................................................. 33 2.6.5 Reloj principal ........................................................................... 33 2.7 Recursos especiales .......................................................................... 33 2.8 Las gamas de PIC´s .......................................................................... 33 2.8.1 La gama enana: PIC12C (F) XXX de 8 patitas ................... 34 2.8.2 Gama baja o básica: PIC16C5X con instrucciones de 12 bits ................................................................................. 36 2.8.3 Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits ............................................................................ 38 2.8.4 Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits ............................................................................ 39 CAPÍTULO III DISEÑO DEL SISTEMA DE RIEGO 3.1 Medición del terreno a regar............................................................... 41 3.2 Determinar la capacidad del diseño del sistema ................................. 42 3.2.1 Presión de Agua (kPa) (Bares) ........................................... 42 3.2.2 Volumen de Agua (l/min) .................................................... 44 3.2.3 Capacidad de Diseño del Sistema...................................... 44 3.3 Selección de aspersores .................................................................... 45 3.4 Ubicación de los aspersores .............................................................. 47 3.5 Ubicación de las válvulas y tamaños de los tubos ............................. 49 CAPÍTULO IV IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS DEL SISTEMA 4.1 Microcontrolador 16F877A ................................................................. 52 4.2 Diseño en Proteus .............................................................................. 55 4.3 Implementación y pruebas ................................................................. 56 4.4 Elaboración de la maqueta e instalación del circuito .......................... 58 Conclusiones ............................................................................................ 59 Bibliografía ............................................................................................... 60 Otras fuentes consultadas ........................................................................ 61 Glosario de términos ................................................................................ 62 Anexos Anexo A. Características relevantes de los modelos PIC16X8X de la gama media .......................................................................... 67 Anexo B. Características más destacadas de los modelos PIC17CXXX de la gama alta ..................................................... 68 Anexo C. Tabla de dimensiones de la tubería .......................................... 69 Anexo D. Código del programa para el sistema de riego ......................... 70 Anexo E. Optooacoplador ........................................................................ 73 ÍNDICE DE FIGURAS No. TITULO PÁGINA 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Sistema de control en bucle abierto..................................................... 5 Sistema de control en bucle cerrado ................................................... 6 Tipos de sistemas de riego localizado según el emisor ....................... 9 Sistema de riego por goteo en superficie y subterráneo...................... 10 Sistema de riego por micro aspersión y micro difusión........................ 11 Riego por aspersión............................................................................. 12 Tipos de sistemas de riego por aspersión ........................................... 13 Máquina de riego ................................................................................. 13 Riego de parras con tubería de goteo ................................................. 17 Riego con tubería de goteo ................................................................. 20 Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador .................................................................................. 24 El microcontrolador es un sistema cerrado .......................................... 24 La arquitectura Harvard ....................................................................... 29 Diagrama de conexiones de los PIC12Cxxx de la gama ..................... 35 Diagrama de patitas de los PIC de la gama baja que responden a la nomenclatura PIC16C54/56 .......................................................... 36 Diagrama de patitas del PIC16C74, uno de los modelos más representativos de la gama media ............................................... 38 Áreas del esquema .............................................................................. 42 Medición de la presión del agua atreves de un manómetro ................ 43 Determinación de la presión del agua atreves del principio de cálculo del caudal.. ........................................................... 43 Tipos de aspersores y difusores .......................................................... 46 Ubicación de los aspersores ................................................................ 47 Descripción grafica de los pasos ......................................................... 48 Válvulas y tubería ................................................................................ 49 Conexión de los Aspersores con los Tubos de PVC o de Polietileno ............................................................................ 50 Estructura externa del PIC 16f877A .................................................... 52 Diseño en Proteus del sistema de riego .............................................. 55 Implementación del sistema de riego .................................................. 57 Circuito final ......................................................................................... 57 Prototipo final ....................................................................................... 58 ÍNDICE DE TABLAS No. 1.1 2.1 2.2 3.1 3.2 4.1 4.2 TITULO PÁGINA Tipos de sistema de riego por goteo.................................................... 19 Características de los modelos PIC12C (F) XXX de la gama enana ................................................................................ 35 Principales características de la gama baja......................................... 37 Tabla de referencia para determinar el tamaño de la línea de servicio ................................................................................... 44 Capacidad de diseño del sistema de riego en litros por minuto (l/min) ................................................................................. 45 Descripción de los pines del microcontrolador .................................... 54 Lista de materiales............................................................................... 56 INTRODUCCIÓN Cada día en más regiones del mundo el agua se convierte en un recurso escaso y costoso, por lo que en el riego de las áreas verdes se deben tomar medidas para hacer un uso más eficiente del agua. La disponibilidad del agua para el ser humano ha sido siempre vital, el dominio del agua ha originado en la historia de la humanidad disputas y confrontaciones. Existen tres métodos de riego, los cuales son el riego por aspersión, el de superficie y el goteo. El riego por aspersión es un método mediante el cual el agua se aplica sobre la totalidad de la superficie del suelo en forma de lluvia. Utilizando para él una red de riego que permite conducir el agua con la presión adecuada hasta los elementos encargados de aplicarla, los aspersores. Para conseguir un buen riego por aspersión son necesarios: presión en el agua, una estudiada red de tuberías adecuadas a la presión del agua, aspersores adecuados capaces de esparcir el agua a la presión que les llega por la red de distribución y un depósito de agua que conecte a la red de tuberías. En los sistemas de riego por aspersión la red de distribución del agua está formada por conducciones cerradas que llevan el agua a presión hasta los aspersores, el agua sale a través de ellos a gran velocidad y caen en forma de lluvia sobre el terreno donde se infiltra pasando desde la superficie del suelo hasta capas cada vez más profundas. La cantidad de agua que se infiltra será más o menos homogénea según sean las características físicas del suelo y las propias características de funcionamiento de los aspersores. En un sistema de riego por aspersión bien diseñado no se debe producir escorrentía, es decir que cada gota de agua debe infiltrarse en el mismo punto donde cae. Además el tamaño de las gotas producidas por los aspersores debe ser tal que no provoque erosión al caer al suelo. Sin embargo, la aplicación del agua en forma de lluvia está bastante condicionada a las condiciones climáticas que se produzcan, en particular al viento y a la aridez del clima (las gotas podrían desaparecer antes de tocar el suelo por la evaporación). Estos sistemas son especialmente útiles para aplicar riegos relativamente ligeros con los que se pretende aportar algo de humedad al suelo en el período de nascencia o para aplicar riego de socorro. El sistema de riego por goteo localizado más popular. El agua circula a presión por la instalación hasta llegar a los goteros, en los que se pierde presión y velocidad, saliendo gota a gota. Son utilizados normalmente en cultivos con marco de plantación amplio (olivar, frutales, etc.), cultivo en invernadero (tomate, pimiento, pepino, melón, ornamentales), y en algunos cultivos en línea (algodón, coliflor, repollo, patata, etc.). Los goteros suelen trabajar a una presión de aproximadamente 1 kg/cm2 conocido popularmente por kilo y suministran caudales entre 2 y 16 litros/horas. Lo I más frecuente es que las tuberías laterales y los goteros estén situados sobre la superficie del suelo, y el agua se infiltre y distribuya en el subsuelo. Es el riego por goteo en superficie. En ocasiones las tuberías laterales se entierran entre 20 y 70 cm y los goteros aportan el agua a esa profundidad, conociéndose entonces como riego por goteo subterráneo. La profundidad de enterrado del porta goteros dependerá del tipo de cultivo y del tipo de suelo. Este sistema está basado en la utilización de franjas de humedad que garantizan una buena uniformidad de riego. Tiene como principal inconveniente la obstrucción de goteros y la dificultad de detectar fallos en el funcionamiento de estos así como de su reparación. El riego de superficie se caracteriza por la instalación de tuberías emisoras sobre la superficie del suelo creando una banda continua de suelo humedecido y no en puntos localizados como en el riego por goteo. Su uso más frecuente es en cultivos en línea con muy poca distancia entre plantas. Las más utilizadas son las tuberías gateadoras y las tuberías exudan tés. El siguiente proyecto se enfoca al diseño de un sistema de riego por aspersión y goteo de manera automatizada en base a PIC’s, con el fin de preservar las áreas verdes del Tecnológico de Salina Cruz, que se encuentra localizado en San Antonio Monterrey, para ello se eligieron dos de los sistemas de riegos mencionados anteriormente, el sistema de riego por aspersión y el de goteo debido a la condiciones del terreno. En el capítulo 1 Generalidades de los sistemas de riego. Se encuentran los conceptos básicos necesarios para poder interpretar y comprender el presente documento comenzando con una breve historia de los sistemas de riego, como estos han ido mejorando día a día que en la actualidad ya son automatizados, además de mencionar los diferentes tipos de sistemas de riego que existen. El proyecto solo se enfoca de manera más detallada a solo dos tipos de sistemas de riego (por aspersión y goteo) mencionando así las características, ventajas y desventajas de cada uno de ellos entre otros conceptos. En el capítulo 2 Introducción a los microcontroladores. Se presenta información sobre los PIC´s, que va desde conceptos básicos como son ¿Qué es un PIC´s? estos son microcontroladores que tienen la ventaja de ser fácilmente programados y pueden desarrollar muchas funciones. Las familias que existen dentro de este ámbito ya sean de gama baja, media y alta, entre otras características referentes a los microcontroladores. Dentro de los más comunes están el PIC16F84, PIC16F84A, PIC16F877A, estos son elegidos dependiendo a la función o cantidad de entradas/salidas que se necesiten. Los PIC´s se pueden programar en varios lenguajes como son el ensamblador, PIC Basic, y PIC C que son los más comunes y su elección se basa en la comodidad del programador y su habilidad para poder utilizar tanto el lenguaje de programación como la complejidad del circuito. II El presente proyecto utiliza el PIC’s PIC16F877A,es un microcontrolador con memoria de programa tipo FLASH, lo que representa gran facilidad en el desarrollo de prototipos y en su aprendizaje ya que no se requiere borrarlo con luz ultravioleta como las versiones EPROM, sino que permite reprogramarlo nuevamente sin ser borrado con anterioridad. En dicho capítulo se detalla de manera más concisa. En el capítulo 3 Diseño de un sistema de riego. Presenta a grandes rasgos como diseñar un sistema de riego automatizado, para ellos se deben determinar ciertos factores necesarios para el montaje y correcto funcionamiento del sistema de riego automatizado. Comenzando primeramente con la medición del terreno de ahí determinar la capacidad del diseño del sistema, la selección de aspersores, su ubicación, tamaños de tuberías y ubicación de las válvulas, entre otros factores. Cada uno de estos puntos a tomar en cuenta en el diseño de un sistema de riego automatizado se describen en dicho capitulo. En el capítulo 4 Implementación y pruebas del sistema. Se explica cómo se fue armado paso a paso el prototipo del sistema de riego, desde los programas que se utilizaron para su elaboración, el diseño de dicho sistema en el Proteus, los materiales que se emplearon para el prototipo, las pruebas que se realizaron en el Proteus para ver que las bombas funcionaran adecuadamente y la construcción final del prototipo instalado en la maqueta. III OBJETIVO GENERAL “Diseñar un sistema de control automatizado en base a PIC’S para el riego de las áreas verdes del Instituto Tecnológico de Salina Cruz”. ESPECÍFICOS Analizar el estado en que se encuentran las áreas verdes del tecnológico. Dividir por secciones las áreas verdes del plantel. Recopilar información acerca de los diversos sistemas de riego que existen. Seleccionar el sistema de riego apropiado, para el Tecnológico. Identificar el PIC con el que se ha de realizar la programación de nuestro proyecto. Seleccionar los materiales a utilizar en el sistema de riego elegido. Definir un lugar específico para la construcción del tanque donde se almacenara el agua del pozo, para después distribuirla. Medir las extensiones de las áreas verdes así como la distancia que hay entre el almacenamiento de agua y estas. Estructurar la distribución de las tuberías para cada una de las secciones de dichas áreas verdes. Calcular la presión con que el agua saldrá para regar cada sección. Programar el PIC para llevar a cabo el sistema de riego automatizado en el tecnológico. Simular para ver si el funcionamiento es el deseado. Construir el prototipo del sistema del control de riego automatizado para el Tecnológico. IV JUSTIFICACIÓN El proyecto que se presenta tiene como finalidad cubrir una o tal vez más necesidades del tecnológico. Enfocándose al ambiente y a la tecnología por tal motivo, es importante justificar nuestro proyecto de Sistema de control automatizado de riego para el Instituto Tecnológico de Salina Cruz. A veces no se presta mucha atención al cuidado del medio ambiente, en la actualidad uno de los temas más importantes y que poco a poco tienen más impacto a nivel mundial es el cuidado del medio ambiente. Es por ello que el proyecto se enfoca a mantener en buen estado las áreas verdes que existen en el tecnológico, por lo que todos nos veremos beneficiados no solo como alumnado, si no en general todo el personal que integra la Institución. Ya que podremos contar con más plantas, en buenas condiciones y sobre todo dará buena presentación e imagen a la escuela. Además ayuda a contribuir con la mejora del medio ambiente. Este sistema de riego representa ahorro, no solo de dinero sino también de tiempo. Actualmente existe muchos dispositivos y técnicas para hacer posible el diseño de este sistema, en el proyecto se involucró la tecnología de los circuitos integrados programables, en este caso los microcontroladores (PIC). Este sistema va a remplazar la mayoría de los trabajos que regularmente realizan los trabajadores designados para realizar esta labor los cuales tomaban muchos minutos e incluso horas, a veces no prestándole mucha importancia y no cubriendo la totalidad de las áreas para su riego, y una de las razones más importantes cubrir el gran desperdicio de agua, por el contrario almacenarla y usarla para otra ocasión. Disminuye como ya se mencionó mucho tiempo, gastos en nuevas mangueras u otros artículos para la transportación del agua, disminuye en gran manera la falta de riego en la totalidad de las áreas verdes, y disminuye el gasto de agua. Lo interesante de este sistema es que ofrece muchas ventajas las cuales se pueden aprovechar al máximo, el sistema de riego en su totalidad es automatizado algo que ya no preocupara al trabajador de ir a encender de forma manual una bomba que succiona el agua y correr hasta el otro extremo para controlar la manguera, que por decirlo este es el proceso tecnológico el cual se utilizaba. El sistema de control automatizado para el riego, elimina la tecnología del motor de succión, con un pequeño dispositivo que controlara el riego, almacenara agua y cubrirá la totalidad de las áreas verdes, regándolas con un flujo moderado pero suficiente de agua. V Así que lo invertido en lo tecnológico tanto en lo económico se reflejara como resultado en las áreas verdes de la institución. Así que vale la pena realizar este diseño de proyecto. Ya que todos los que estamos en el Plantel de la escuela nos vernos beneficiados sobre todo como estudiantes ya que podremos disfrutar de una mayor comodidad en la buena presentación que le dará este sistema de control automatizado de riego al Instituto Tecnológico de Salina Cruz. VI PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Aunque los jardines son espacios artificiales diseñados y creados por el hombre para fomentar el esparcimiento, se requiere de ellos para disminuir el impacto ambiental y la pérdida de ecosistemas y sus servicios. Este problema es causado por la población y las necesidades generadas por esta, como la construcción de edificios, generación de residuos, etc. En el caso del Tecnológico de Salina Cruz, cuentas con varias áreas verdes, donde el suelo se encuentra erosionado y compactado, dificultando el desarrollo de las plantas, este problema se debe al poco tiempo que el tecnológico se encuentra laborando en su actual ubicación, ya que hace 8 años compartía las aulas con el CETMAR 05. Por lo cual se ha propuesto realizar un sistema de riego automatizado para mejorar las áreas verdes. El riego consiste en aportar agua al suelo para que las plantas tengan el suministro que necesitan favoreciendo así su crecimiento. Para el riego de las áreas verdes, se debe responder a ciertas preguntas como son: 1. Por qué regar. Cuál es el beneficio que se espera. 2. Cuando regar. Con que frecuencia se regaran las áreas verdes 3. Cuanto regar. Durante cuánto tiempo debe regarse cada sección. 4. Como regar. Que método se aplicara para el riego. Los métodos más comunes de riego son: Por arroyamiento o surcos. Por inundación o sumersión, generalmente, en bancales o tablones aplanados entre dos caballones. Por aspersión. El riego por aspersión rocía el agua en gotas por la superficie de la tierra, asemejándose al efecto de la lluvia Por infiltración o canales. Por goteo o riego localizado. El riego de goteo libera gotas o un chorro fino, a través de los agujeros de una tubería plástica que se coloca sobre o debajo de la superficie de la tierra. El problema de distribución de las plantas (áreas verdes) del Instituto Tecnológico de Salina Cruz, lleva a implementar un sistema de control de riego automatizado, en donde a la vez se controlara el llenado de una cisterna junto a la repartición del agua a los lugares ya establecidos dentro del plantel. VII El problema empieza con la escases de agua en la Institución, por la falta de material, todos estos aspectos se incluyen en el problema de riego, uno de los principales factores son: Cuando vamos al campo de la escuela, vemos árboles que están en el camino, en específico los arboles de coco, están en completo abandono y sumo descuido ya que no existe un personal asignado para su cuidado de riego. La distancia del pozo es algo retirada a los espacios de las áreas verdes, en especial a las áreas donde se encuentran las palmeras, y atrás del nuevo edifico. El material de riego no da abasto, para todas las áreas de la Institución, es decir las mangueras no llegan a los lugares retirados. Solo se riegan manualmente las plantas que están enfrente de los edificios y se olvidan del resto de las áreas verdes del plantel. Entre otros factores incluyentes; El sistema de riego consiste en aportar agua al suelo para que las plantas tengan el suministro que necesitan favoreciendo así su crecimiento. Todo esto en base a la implementación de crear un sistema de riego automatizado, que cuente con un sistema completo, el cual constara de tuberías, llaves, válvulas, sensores, etc. Para esto se ha divido en tres secciones las áreas verdes del tecnológico, se regaran a través de riego por aspersión las áreas en las que se cuenta con pasto y por goteo las hileras de los árboles de coco. Las tuberías saldrán del pozo, hacia las áreas específicas, las llaves controlaran el acceso del agua extraído del pozo, las válvulas se activaran en base al sensor que se adaptara a cada una de ellas. Posteriormente pretendemos asignar un rol específico controlado por el departamento de intendencia para ver que desde ahí se vigile y controle el funcionamiento del riego a distancia. Se ha programado el sistema para que diariamente se rieguen las áreas de 6 a 7 am, pero se ha incluido la opción de configurarlo para una hora diferente a la ya programada. Esto con la finalidad de tener una mejora de distribución de las plantas (áreas verdes) de nuestra Institución, y tener un sistema de control en nuestro plantel. VIII Diagrama de Ishikawa Árbol del problema IX MARCO TEÓRICO SISTEMA DE RIEGO Al dominar la conducción del agua, construyendo presas en los ríos, llevando el agua donde había buena tierra se inicia la agricultura de regadío. Con la agricultura nace una nueva revolución para el hombre, el dominio del agua, el arte del riego, el conseguir comida sin tener que hacer grandes migraciones. Además del sustento que obtenía el hombre para su grupo o familia, se dio cuenta que podía almacenar las cosechas y asegurarse comida no para un día o dos como cuando era cazador sino para más tiempo. Con el paso del tiempo el hombre fue inventando nuevas tecnologías fue innovando los inventos que hacían hasta que el regadío en la agricultura la automatizaron. Los sistemas de riego automático son una herramienta cómoda para los propietarios de viviendas ya que aportan la cantidad de agua adecuada al lugar correspondiente con un esfuerzo mínimo por parte del propietario. La mayoría de los sistemas automáticos utilizan varios tipos de métodos para el suministro de agua, siendo dos de los más comunes los aspersores emergentes que se introducen en el terreno cuando se termina el ciclo de riego, y el riego localizado, que utiliza microcomponentes para suministrar agua a menor velocidad. X Regar manualmente con manguera produce probablemente un exceso de agua en la zona ajardinada, desperdiciando agua que se evapora o se va a las canalizaciones, o simplemente utilizando más agua de la necesaria para mantener la salud de las plantas. Una de las mayores ventajas de un sistema de riego automático es la capacidad para aportar distintas cantidades de agua a diferentes plantas a una velocidad que pueda absorberla. Un sistema de riego automático eficaz, ya sea subterráneo, localizado o una combinación, asegurará que se aplique la cantidad de agua adecuada a cada zona de un jardín. Para el óptimo manejo del riego es conveniente disponer de sistemas automáticos de control, que pueden ayudar a conseguir mejoras sustanciales como: Ahorro de mano de obra, agua y energía, mayor eficiencia de riego. Control de operaciones anexas al riego (facturación del agua consumida). Reducción de costes de instalación y mantenimiento (detección de fallos y la protección de los diferentes componentes del sistema de riego). Posible aumento de producción. En los sistemas de control de riego, uno de los actuadores más importantes son las válvulas hidráulicas especialmente diseñadas para control remoto otros sensores y actuadores que también juegan un papel importante en estos sistemas de control del riego son los contadores y en menor medida los reguladores de presión, limitadores de caudal y otros dispositivos especiales. En función del tipo de emisor utilizado y su colocación se distinguen tres tipos de riego: Por goteo. Por tuberías emisoras. Por micro aspersión y micro difusión. El riego por goteo es el sistema de riego localizado más popular. El agua circula a presión por la instalación hasta llegar a los goteros, en los que se pierde presión y velocidad, saliendo gota a gota. Las ventajas del riego por goteo son: 1. Los sistemas de riego por goteo son apropiados para los campos de forma irregular o donde la topografía o textura del suelo no es uniforme. 2. El riego por goteo es útil si el agua es escasa o costosa 3. La aplicación de nutrientes es más precisa con el riego por goteo. XI Las desventajas del sistema de riego son: 1. Por lo general, la instalación de un sistema de riego por goteo cuesta entre $2,965 a $4,200 por hectárea. 2. Una de las razones por la gran variabilidad en el costo por hectárea o acre de las mangueras de goteo es la diferencia en la distancia entre hileras de plantas. El riego por tuberías emisoras se caracteriza por la instalación de tuberías emisoras sobre la superficie del suelo creando una banda continua de suelo humedecido y no en puntos localizados como en el riego por goteo. El riego micro aspersión y micro difusión el agua se aplica sobre la superficie del suelo en forma de lluvia muy fina, mojando una zona determinada que depende del alcance de cada emisor. Con este método el agua se aplica al suelo en forma de lluvia utilizando unos dispositivos de emisión de agua, denominados aspersores, que generan un chorro de agua pulverizada en gotas. El agua sale por los aspersores dotada de presión y llega hasta ellos a través de una red de tuberías cuya complejidad y longitud depende de la dimensión y la configuración de la parcela a regar. Dentro de los riegos por aspersión tenemos: De pequeña aspersión (de 2,5 a 4 atm). De pequeña aspersión (de 0,3 a 2 atm). Las ventajas del sistema de riego por aspersión son: 1. Ahorro en mano de obra 2. Adaptación al terreno Las desventajas del riego por aspersión son: 1. Daños a las hojas y a las flores 2. Requiere una inversión importante 3. Aumento de enfermedades y propagación de hongos MICROCONTROLADORES Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. XII Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 o 32 bits. La razón de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. La totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS 4, también los modernos microcontroladores de 32 bits van afianzando sus posiciones en el mercado, siendo las áreas de más interés el procesamiento de imágenes, las comunicaciones, las aplicaciones militares, los procesos industriales y el control de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos. Un sistema con microcontrolador debe disponer de una memoria donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo, una vez programado, solo realizara la tarea asignada. Memoria ROM (Memoria de sólo lectura) Memoria RAM (Memoria de acceso aleatorio) Líneas de entrada/salida (I/O) También llamados puertos Lógica de control Coordina la interacción entre los demás bloques En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos. Existen cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado. 1. ROM con máscara 2. OTP 3. EPROM 4. EEPROM 5. FLASH Los microcontroladores PIC se clasifican en cuatro gamas, que se diferencian en el número de bits de sus instrucciones. La gama baja (Base Line) posee instrucciones de 12 bits, la gama media de 14 bits y las gamas alta y mejorada de 16 bits. Cada una de las gamas se puede dividir a su vez en varios grupos de microcontroladores que poseen características comunes. En las figuras 1 y 2 se muestran los encapsulados de los principales microcontroladores PIC y la denominación de cada una de sus terminales. Es importante tener en cuenta esta XIII información para programar los PIC. También es imprescindible cuando de diseñan zócalos para la adaptación de las distintas familias de microcontroladores. XIV Entre los recursos más comunes se encuentran a los siguientes: a) Circuito de reloj, encargado de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. b) Temporizadores, orientados a controlar tiempos. c) Perro Guardián («watchdog»), destinado a provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. d) Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. e) Comparadores analógicos, para verificar el valor de una señal analógica. f) Sistema de protección ante fallos de la alimentación. g) Estado de Reposo, en el que el sistema queda «congelado» y el consumo de energía se reduce al mínimo. DISEÑO DE UN SISTEMA DE RIEGO 1.- El primer paso para diseñar un sistema de riego es medir la e indicar la ubicación de las electroválvulas y la tubería. 2.- Dibujar un plano del terreno a escala en el papel cuadriculado facilitado. 3.- El plano, divida el terreno en áreas. Las áreas deberán ser cuadrados o rectángulos y lo más grandes posibles. 4.- Se deberá determinar la Capacidad de Diseño del Sistema adecuada 5.- verificar la presión de agua 6.- Selección de los aspersores a utilizar 7.- Se decide en qué lugar instalar los aspersores y difusores 8.- Ubicación de las válvulas y tamaños de los tubos XV CRONOGRAMA CRONOGRAMA ENE FEB MAR ABR MAY JUN Se 3 Definición del problema Investigación teórica Propuesta de solución Diseño del proyecto Pruebas Se 4 Se 5 Se 6 Se 7 Se 8 Se 9 Se 10 Se 11 Se 12 Se 13 Se 14 Se 15 Se 16 Se 17 Se 18 Se 19 Se 20 Se 21 Se 22 Se 23 Se 24 Se 25 Se 26 Elaboración del prototipo Reporte X XI 1 CAPÍTULO I GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE RIEGOS 1.1 HISTORIA DE LOS SISTEMAS DE RIEGO La disponibilidad del agua para el ser humano siempre ha sido vital, porque además del sustento que obtenía en el cultivo de la tierra, creaba riqueza y con ella conseguía poder. El dominio del agua ha originado en la historia de la Humanidad disputas y confrontaciones. El hombre se hizo sedentario unos 3.000 años antes de Jesucristo, al dominar la conducción del agua, construyendo presas en los ríos llevando el agua donde había buena tierra. Con el dominio de esta técnica, se inicia la agricultura de regadío. Al mismo tiempo que aparecen los primeros poblados con casas de adobe, como las poblaciones de Lagash, Ur y Uruk, en la región de Sumer, entre los ríos Tigris y Éufrates, en la antigua Mesopotamia. Posiblemente el dominio de la técnica del riego impulsó una nueva forma de vida, más segura y con menos riesgo que la vida errante de cazador. Desde ahora podría disponer de alimentos sin tener que desplazarse de un sitio a otro. Ya no era necesario el continuo traslado para buscar sustento. Con la agricultura nace una nueva revolución para el hombre, el dominio del agua, el arte del riego, el conseguir comida sin tener que hacer grandes migraciones. Para aquellos pueblos que estaban en continuo movimiento, fue un verdadero cambio en cuanto a sus costumbres. Además del sustento que obtenía el hombre para su grupo o familia, se dio cuenta que podía almacenar las cosechas y asegurarse comida no para un día o dos como cuando era cazador. Ahora disponía de alimentos para varios meses o quizás años. Esta técnica descubierta haría cambiar el concepto de aquella vida errante, naciendo los primeros pueblos. Aquella incipiente agricultura propició el intercambio de los productos vegetales por carne que cazaban los nómadas, naciendo el comercio del trueque. Estos cambios tan importantes en la historia fueron posibles, en definitiva, por el agua, por su dominio y uso. 2 1.2 SISTEMAS DE RIEGO AUTOMATIZADOS La Magia de los Sistemas de Riego Tecnológicos Hoy día, la mayoría de los hogares quedan vacíos durante el día por los requisitos que impone nuestro actual estilo de vida. Es más difícil mantener un jardín bello y precioso por nuestra ausencia durante las horas de trabajo. El desarrollo tecnológico ha venido a nuestro rescate dándonos sistemas de riego automatizados que podemos poner a trabajar para nosotros. ¿Qué es la automatización? El término automatización se refiere a una amplia variedad de sistemas y procesos que operan con mínima, incluso sin intervención, del ser humano. Sistemas de riego automatizados Los sistemas de riego automático son una herramienta cómoda para los propietarios de viviendas en el sentido en que, si están instalados correctamente, aportan la cantidad de agua adecuada al lugar correspondiente con un esfuerzo mínimo por parte del propietario. La mayoría de los sistemas automáticos utilizan varios tipos de métodos para el suministro de agua, siendo dos de los más comunes los aspersores emergentes que se introducen en el terreno cuando se termina el ciclo de riego, y el riego localizado, que utiliza microcomponentes para suministrar agua a menor velocidad, precisamente en donde las plantas más lo necesitan, en el terreno por encima del sistema radicular. Aunque muchos propietarios de viviendas siguen regando manualmente con manguera, el riego manual no permite una medición precisa de la cantidad de agua a aportar basándose en la capacidad del suelo para absorberla. Cuando utilizan mangueras, muchos usuarios aumentan demasiado el volumen de agua y acaban desperdiciando una gran cantidad. El exceso, que no se absorbe, se pierde y pasa a las canalizaciones y desagües pluviales. Regar manualmente con manguera producirá probablemente un exceso de agua en la zona ajardinada, desperdiciando agua que se evapora o se va a las canalizaciones, o simplemente utilizando más agua de la necesaria para mantener la salud de las plantas. Una de las mayores ventajas de un sistema de riego automático es la capacidad para aportar distintas cantidades de agua a diferentes plantas a una velocidad que pueda absorberla. Los sistemas más eficaces pueden incluir tanto componentes subterráneos como de riego localizado, lo que es especialmente aplicable a los sistemas con varias zonas. Por ejemplo, los macizos de flores deberían estar en una zona que reciba menos agua que un césped y podría, por tanto, estar mejor atendida por una línea de goteo del jardín con emisores de bajo 3 caudal, mientras que las zonas de césped podrían estar mejor si se riegan con difusores o aspersores. De todas formas, no importa lo eficaz que sea el diseño de un sistema de riego, la cantidad de ahorro de agua que se consiga depende mucho de la propia instalación y del manejo de un sistema de riego eficaz. Se estima que los sistemas de riego ineficaces y programas de riego incorrectos desperdician alrededor de un 30% del agua que se aplica a plantas y césped. Un sistema de riego automático eficaz, ya sea subterráneo, localizado o una combinación, asegurará que se aplique la cantidad de agua adecuada a cada zona de un jardín. Un sistema de riego automático eficaz está formado por diversos componentes. Programador: es el encargado de comandar la apertura y cierre de las electroválvulas, indicando qué días hay que regar y cuánto tiempo dura cada riego. Electroválvulas: son las encargadas de abrir y cerrar el paso de agua, cuando el programador se lo ordena. Cables: son los que conectan el programador y las electroválvulas, deben tener doble o triple protección contra la humedad. No requieren de entubado, pues la corriente de paso es de apenas 24V, por lo que no resultan peligrosos. Puede enterrarse junto con la tubería. Arquetas: albergan a las electroválvulas, y suelen ser de plástico. Son individuales o para varias electroválvulas. Tuberías de polietileno o PVC: el polietileno es más cómodo que el PVC, ya que las tuberías y accesorios se enroscan rápidamente. En las tuberías de PVC, las uniones requieren un pegamento especial. Reductor de presión: se utiliza para el riego por goteo. Hay diferentes modelos, para instalaciones grandes o pequeñas. Emisores de riego: aspersores, difusores, cintas de exudación, tuberías de goteo, riego subterráneo, micro aspersores. Piezas especiales: codos, enlaces, reducciones, etc. 4 1.3 NIVEL DE AUTOMATIZACIÓN El mínimo nivel de automatización sería la apertura y cierre de válvulas hidráulicas para realizar las posturas de riego. El máximo nivel sería el control total de la instalación, de la humedad del suelo, del estado hídrico de la planta, del clima etc., incluyendo los sistemas de adquisición de datos para una adecuada gestión del regadío. Estos niveles condicionan también la cualificación profesional del personal que la maneje y la dependencia de un servicio técnico que solucione los posibles problemas de la instalación. Los sistemas de control utilizados para el riego pueden ser en bucle abierto o en bucle cerrado La diferencia entre ellos es que en los de bucle cerrado se establece una comunicación recíproca entre el controlador y los sensores, tomando decisiones y aplicándolas al sistema de riego. Los sistemas abiertos simplemente ejecutan una acción, como ocurre por ejemplo al programar la secuencia temporal de los riegos. A) Sistemas de control abiertos Son los más utilizados en la actualidad, controlando básicamente el tiempo en el que se produce el riego o el volumen de agua a aplicar, pero sin tener en cuenta los restantes factores que influyen en el riego como nivel de humedad en el suelo, estado de las plantas, condiciones de viento, etc. Comúnmente se les conoce como programadores de riego, como se muestra en la figura No.1.1. El programador conecta o desconecta el sistema de riego en función del "programa" que establezca el usuario, en el que se fijan: las horas y los días en que deben iniciarse los riegos y la duración de los mismos (automatización por tiempo), el volumen de agua que tiene que descargar el sistema (automatización por volumen) o una combinación de los mismos (automatización por volumen y tiempo). Figura No.1.1 Sistema de control en bucle abierto. 5 Los sistemas de control en bucle abierto tienen la ventaja de que no son muy caros. Su principal inconveniente es que no responden automáticamente a los cambios de las condiciones ambientales o del cultivo, necesitando reajustes de forma permanente para alcanzar altos niveles de eficiencia. B) Sistemas de control cerrado En este caso el usuario define una estrategia general de control para que, basándose en ella, el sistema elabore y ejecute las decisiones en cuanto al momento adecuado para el riego y la cantidad de agua a aportar. Este tipo de sistemas requieren la comunicación permanente de los sensores con el controlador, figura No. 1.2, lo que permite conocer cómo se desarrolla el proceso y del controlador con los actuadores (lo que permite tomar la decisión de riego y ejecutarla en caso necesario). El controlador del sistema suele ser un ordenador con los programas (algoritmos) empleados para la elaboración de decisiones. Los sistemas de control en bucle cerrado requieren la adquisición de datos y de parámetros ambientales tales como, temperatura del cultivo, humedad del suelo, temperatura del aire, radiación, velocidad del viento, humedad relativa, etc. El estado del sistema (por ejemplo la medida del estado hídrico del suelo o de la planta) es comparado con un estado de referencia y se elabora una decisión y, en su caso, una actuación sobre la base de esa comparación. Figura No. 1.2 Sistema de control en bucle cerrado. La principal limitación de estos sistemas de control es que hay que encontrar la mejor localización de los sensores de suelo, de planta, o de la estación climática para que sea representativo del sistema a partir del cual realizar su control. 6 Disposiciones de los sistemas de control en el riego Dependiendo de la extensión y características de la instalación se necesita la disposición de una o más unidades de control. Las principales disposiciones de los sistemas de control en el riego son: a) Los centralizados. Disponen de una sola unidad central (UC) de control a donde llegan las señales de los sensores y desde donde se envían señales hacia los actuadores. Es el caso típico de un programador que controla el riego y la fertirrigación de una finca. b) Con unidades secundarias. El control se distribuye por zonas o áreas. Cada unidad secundaria (US) controla varias unidades de campo (Uc) (normalmente hidrantes). A su vez todas las unidades secundarias se conectan con la unidad central (UC). La principal ventaja de este sistema es que la automatización se puede acometer en etapas, estableciendo unidades de control secundario por zonas, y una vez automatizadas todas, realizar el control centralizado. Sería el caso de una gran finca o zona regable de riegos colectivos con comunicación por radio entre las unidades secundarias y la unidad central. c) En red o anillo. El sistema es semejante al anterior pero las conexiones entre US son ahora en anillo (quedando todas interconectadas entre sí). Ello permite que en la práctica cualquiera de las unidades de control actúe como unidad principal del sistema, lo que posibilita al operador poder realizar acciones de carácter general o local desde cualquiera de los citados puntos. Es el caso típico de las redes colectivas de riego que utilizan el sistema de comunicación por cable. En las disposiciones en red o anillo todos los mensajes son recibidos por todas la unidades de control, pero sólo una de ellas reconocerá la dirección como propia y, una vez comprobado que el mensaje es correcto, ejecutará la instrucción ordenada, y enviará una respuesta con el resultado de ejecutar la instrucción recibida. Si una llamada no tiene respuesta, o esta es errónea, se genera una señal de alarma después de varios intentos. Sistemas de comunicación La comunicación entre las unidades de control y las de campo puede realizarse mediante: Líneas físicas de comunicación en serie o paralelo. En este caso se tiende simultáneamente el cable de comunicación y de alimentación eléctrica, a no ser que se utilicen paneles solares o grupos no autónomos (baterías, etc.) para la alimentación. 7 Línea telefónica, usando comunicaciones en serie. Para el óptimo manejo del riego es conveniente disponer de sistemas automáticos de control, que pueden ayudar a conseguir mejoras sustanciales como: Ahorro de mano de obra, agua y energía, mayor eficiencia de riego. Control de operaciones anexas al riego (facturación del agua consumida). Reducción de costes de instalación y mantenimiento (detección de fallos y la protección de los diferentes componentes del sistema de riego). Posible aumento de producción. ¿Cuáles son los elementos necesarios para la automatización de sistemas de riego? Sensores y/o transductores, como: tensiómetros, manómetros, presostatos, medidores de caudal, detectores de nivel. Actuadores, como: interruptores, electroválvulas válvulas motorizadas, bombas (de agua y fertilizante), variadores de velocidad, arrancadores electrónicos. Acondicionadores de señal, para que la entienda el sistema. Unidades de control (programadores, ordenadores. Además es necesario desarrollar sistemas de protección (para el caso de tormentas, sobretensiones, etc.) y alarmas, que avisen de cualquier tipo de anomalía en el funcionamiento. La automatización del riego puede hacerse a varias escalas y en distintas partes de las instalaciones: Automatización individual del riego en parcela, normalmente con un programador y un conjunto de válvulas hidráulicas o electroválvulas. Automatización general de una red de riego a la demanda y su gestión, normalmente con un ordenador central y una red en anillo de unidades de campo que controlan cada uno de los hidrantes o unidades de control remoto. Regulación y control de la estación de bombeo para adaptar la demanda de caudal y presión a las necesidades de la red (reduce el coste energético). Automatización integral del sistema para programar los riegos, la fertirrigación, etc. La comunicación entre las unidades de control y las de campo puede realizarse mediante: Líneas físicas de comunicación en serie o paralelo. En este caso se tiende simultáneamente el cable de comunicación y de alimentación eléctrica, a no 8 ser que se utilicen paneles solares o grupos no autónomos (baterías, etc.) para la alimentación. En los sistemas de control de riego, uno de los actuadores más importantes son las válvulas hidráulicas especialmente diseñadas para control remoto, aunque también pueden accionarse de forma manual actuando sobre la válvula de tres vías. Otros sensores y actuadores que también juegan un papel importante en estos sistemas de control del riego son los contadores y en menor medida los reguladores de presión, limitadores de caudal y otros dispositivos especiales. 1.4 TIPOS DE SISTEMAS DE RIEGO En función del tipo de emisor utilizado y su colocación se distinguen tres tipos de riego localizado, figura No. 1.3. Por goteo. Por tuberías emisoras. Por micro aspersión y micro difusión. Figura No. 1.3 Tipos de sistemas de riego localizado según el emisor. 9 Riego por Goteo Es el sistema de riego localizado más popular. El agua circula a presión por la instalación hasta llegar a los goteros, en los que se pierde presión y velocidad, saliendo gota a gota. Son utilizados normalmente en cultivos con marco de plantación amplio (olivar, frutales, etc.), cultivo en invernadero (tomate, pimiento, pepino, melón, ornamentales), y en algunos cultivos en línea (algodón, coliflor, repollo, patata, etc.). Los goteros suelen trabajar a una presión de aproximadamente 1 kg/cm2 conocido popularmente por kilo y suministran caudales entre 2 y 16 litros/horas. Lo más frecuente es que las tuberías laterales y los goteros estén situados sobre la superficie del suelo, y el agua se infiltre y distribuya en el subsuelo. Es el riego por goteo en superficie. En ocasiones las tuberías laterales se entierran entre 20 y 70 cm y los goteros aportan el agua a esa profundidad, conociéndose entonces como riego por goteo subterráneo. La profundidad de enterrado del porta goteros dependerá del tipo de cultivo y del tipo de suelo. Este sistema está basado en la utilización de franjas de humedad que garantizan una buena uniformidad de riego. Tiene como principal inconveniente la obstrucción de goteros y la dificultad de detectar fallos en el funcionamiento de estos así como de su reparación figura No. 1.4 Figura No. 1.4 Sistema de riego por goteo en superficie y subterráneo. 10 Riego por tuberías emisoras Se caracteriza por la instalación de tuberías emisoras sobre la superficie del suelo creando una banda continua de suelo humedecido y no en puntos localizados como en el riego por goteo. Su uso más frecuente es en cultivos en línea con muy poca distancia entre plantas. Las más utilizadas son las tuberías gateadoras y las tuberías exudan tés. Riego por micro aspersión y micro difusión En el riego por micro aspersión, el agua se aplica sobre la superficie del suelo en forma de lluvia muy fina, mojando una zona determinada que depende del alcance de cada emisor. Este indicado tanto para cultivos leñosos como para cultivos herbáceos de distinto marco de plantación. Se distinguen los emisores denominados micro aspersores y los denominados micros difusores. Es aquel sistema de riego que trata de imitar a la lluvia. Es decir, el agua destinada al riego se hace llegar a las plantas por medio de tuberías y mediante unos pulverizadores, llamados aspersores y, gracias a una presión determinada, el agua se eleva para que luego caiga pulverizada o en forma de gotas sobre la superficie que se desea regar figura No. 1.5 Figura No. 1.5 Sistema de riego por micro aspersión y micro difusión. 11 1.4.1 Riego por aspersión Con este método el agua se aplica al suelo en forma de lluvia utilizando unos dispositivos de emisión de agua, denominados aspersores, que generan un chorro de agua pulverizada en gotas. El agua sale por los aspersores dotada de presión y llega hasta ellos a través de una red de tuberías cuya complejidad y longitud depende de la dimensión y la configuración de la parcela a regar. Por lo tanto una de las características fundamentales de este sistema es que es preciso dotar al agua depresión a la entrada en la parcela de riego por medio de un sistema de bombeo. La disposición de los aspersores se realiza de forma que se moje toda la superficie del suelo, de la forma más homogénea posible. Figura No. 1.6. Figura No. 1.6 Riego por aspersión. Un sistema de riego tradicional de riego por aspersión está compuesto de tuberías principales (normalmente enterradas) y tomas de agua o hidrantes para la conexión de secundarias, ramales de aspersión y los aspersores. Todos o algunos de estos elementos pueden estar fijos en el campo, permanentes o solo durante la campaña de riego. Además también pueden ser completamente móviles y ser transportados desde un lugar a otro de la parcela. Esta clasificación se muestra en la figura No. 1.7. 12 Figura No. 1.7 Tipos de sistemas de riego por aspersión. En las tres últimas décadas se han desarrollado con gran éxito las denominadas máquinas de riego Figura No. 1.8 que, basándose igualmente en la emisión de agua en forma de lluvia por medio de aspersores, los elementos de distribución del agua se desplazan sobre la parcela de manera automática. Aunque su precio es mayor, permiten una importante automatización del riego. Figura No. 1.8 Máquina de riego Los sistemas de riego por aspersión se adaptan bastante bien a topografías ligeramente accidentadas, tanto con las tradicionales redes de tuberías como con las máquinas de riego. El consumo de agua es moderado y la eficiencia de uso bastante 13 aceptable. Sin embargo, la aplicación del agua en forma de lluvia está bastante condicionada a las condiciones climáticas que se produzcan, en particular al viento, y a la aridez del clima, ya que si las gotas generadas son muy pequeñas, en particular el viento, y a la aridez del clima (las gotas podrían desaparecer antes de tocar el suelo por la evaporación). Son especialmente útiles para aplicar riegos relativamente ligeros con los que se pretende aportar algo de humedad al suelo en el periodo de nesciencia o para aplicar riegos de socorro. También es muy indicado para efectuar el lavado de sales cuando sea necesario y se prestan a la aplicación de determinados productos fitosanitarios o abonos disueltos en el agua de riego, aunque no se puede considerar que sea una aplicación habitual. Dentro de los riegos por aspersión tenemos: De pequeña aspersión (de 2,5 a 4 atm). Con el riego aéreo se realiza una limpieza de las plantas que en general dificulta el desarrollo de las plagas. Se crea un microclima húmedo que disminuye el riesgo de heladas y el rajado de frutos. No hay problemas en cuanto al tipo de suelos, ni de nivelaciones imperfectas, si el caudal es inferior a la velocidad de infiltración del suelo. No se puede emplear en zonas que haga viento. En cítricos retrasa el índice de madurez. De pequeña aspersión (de 0,3 a 2 atm). Microaspersión. Parecido al anterior pero se puede evitar mojar las plantas. Trabaja a menor presión y por lo tanto los alcances son menores. Los efectos del viento son más exagerados. Cuando se riega todo el terreno crea un microclima húmedo como en el caso anterior. En horas de sol se produce una fuerte evaporación por lo que hay que incrementar la dosis en un 20-30%. No hay problemas de tipo de suelo, estando muy indicado en los arenosos. Microchorro o Microjet. Derivado del anterior, emite el agua en pequeños chorros, que pueden abarcar una parte o todo un círculo. Se disminuye el efecto negativo del viento, pudiendo dirigir el chorro hacia abajo. Tiene menos pérdidas por evaporación que os anteriores. Es un riego localizado en bandas o zonas húmedas, por lo que está muy indicado en suelos arenosos. No crea un microclima húmedo tan marcado como en los casos anteriores. 14 Para conseguir un buen riego por aspersión son necesarios 1. Presión en el agua 2. Una estudiada red de tuberías adecuadas a la presión del agua. 3. Aspersores adecuados que sean capaces de esparcir el agua a presión que les llega por la red de distribución. 4. Depósito de agua que conecte con la red de tuberías. Presión en el agua: Es necesaria por dos motivos: le red de distribución se multiplica en proporción a la superficie que debemos regar y teniendo en cuenta que el agua debe llegar al mismo tiempo y a la misma presión a las bocas donde se encuentran instalados los mecanismos de difusión (aspersores) con el fin de conseguir un riego uniforme. La segunda razón es que la presión del agua debe ser capaz de poner en marcha todos los aspersores al mismo tiempo bien sean fijos o móviles, de riego más pulverizado o menos. En el caso de que la presión de la red no sea suficiente se deberá instalar un motor que dé la presión suficiente desde el depósito hasta los aspersores. Red de tuberías: En general la red de tuberías que conducen el agua por la superficie a regar se compone de ramales de alimentación que conducen el agua principal para suministrar a los ramales secundarios que conectan directamente con los aspersores. Todo esto supone un estudio técnico adecuado ya que de él dependerá el éxito de la instalación. Aspersores: Los más utilizados en la agricultura son los giratorios porque giran alrededor de su eje y permiten regar una superficie circular impulsados por la presión del agua, aunque en el mercado los hay de variadas funciones y distinto alcance. Son parte muy importante del equipo del riego por aspersión y por tanto el modelo, tipo de lluvia (más o menos pulverizada) que producen, alcance etc. deben formar parte del estudio técnico antes mencionado. Depósito del agua: Desempeña dos funciones: la de almacenamiento del agua suficiente para uno o varios riegos y la de ser punto de enlace entre el agua sin presión y el motor de impulsión de esa agua a la presión necesaria para el riego calculado. Ventajas del riego por aspersión Ahorro en mano de obra. Una vez puesto en marcha no necesita especial atención. Existen en los mercados eficaces Programadores activados por electro válvulas conectadas a un reloj que, por sectores y por tiempos, activará el sistema según las necesidades previamente programadas. Con lo cual la mano de obra es prácticamente inexistente. 15 Adaptación al terreno. Se puede aplicar tanto a terrenos lisos como a los ondulados no necesitando allanamiento ni preparación de las tierras. La eficiencia del riego por aspersión es de un 80% frente al 50 % en los riegos por inundación tradicionales. Por consecuencia el ahorro en agua es un factor muy importante a la hora de valorar este sistema. Especialmente útil para distintas clases de suelos ya que permite riegos frecuentes y poco abundantes en superficies poco permeables. Inconvenientes del riego por aspersión: Daños a las hojas y a las flores. Las primeras pueden dañarse por el impacto del agua sobre las mismas, si son hojas tiernas o especialmente sensibles al depósito de sales sobre las mismas. En cuanto a las flores pueden, y de hecho se dañan, por ese mismo impacto sobre las corolas Requiere una inversión importante. El depósito, las bombas, las tuberías, las juntas, los manguitos, las válvulas, los programadores y la intervención de técnicos hacen que en un principio el gasto sea elevado aunque la amortización a medio plazo está asegurada. El viento puede afectar. En días de vientos acentuados el reparto del agua puede verse afectado en su uniformidad. Aumento de enfermedades y propagación de hongos debido al mojado total de las plantas. 1.4.2 Riego por goteo. El riego por goteo suministra agua de manera lenta y uniforme a baja presión a través de mangueras de plástico instaladas dentro o cerca de la zona radicular de las plantas. Es una alternativa a los sistemas de riego por aspersores o surcos. El riego por goteo puede reducir el uso de agua. Un sistema de riego por goteo bien diseñado pierde muy poca agua porque hay poco escurrimiento, evaporación o percolación profunda en suelo limoso. Con el riego por goteo hay menos contacto del agua con el follaje, los tallos y los frutos. Por eso, las condiciones son menos favorables para el desarrollo de enfermedades en las plantas. Con un buen programa de riego que cubre las necesidades de las plantas, es posible aumentar el rendimiento y la calidad de la cosecha, figura No. 1.9. Los agricultores y profesionales a menudo hablan del “riego por goteo subsuperficial”, RGS. Si la manguera o cinta de riego está instalada bajo la superficie del suelo, hay menos riesgo de que sea dañado debido a la radiación UV o las operaciones de labranza o eliminación de maleza. 16 Figura No. 1.9 Riego de parras con tubería de goteo. Con el RGS, se maximiza la eficiencia del riego porque hay poco escurrimiento y evaporación. La aplicación de productos químicos agrícolas es más eficiente a través del riego por goteo. Debido a que la aplicación de agua está limitada a la zona radicular, es menos probable que el nitrógeno que se encuentra en el suelo se pierda a través de la percolación profunda (lixiviación). Además, el uso de fertilizante es más eficaz, y a menudo es posible usar menos insecticida. Asegúrese de que la etiqueta del insecticida permite la aplicación a través del riego por goteo, y siga todas las instrucciones en la etiqueta. El riego por goteo también ofrece las siguientes ventajas: Los sistemas de riego por goteo son apropiados para los campos de forma irregular o donde la topografía o textura del suelo no es uniforme. Hay que tener en cuenta estos factores al diseñar el sistema de riego. Los sistemas de riego por goteo también son una buena opción donde hay altas tasas de infiltración, formación de charcos o un exceso de escurrimiento en algunas partes del campo. El riego por goteo es útil si el agua es escasa o costosa. Con menos evaporación, escurrimiento y percolación profunda, y con mayor uniformidad de aplicación, no es necesario aplicar un exceso de agua a ciertas áreas del campo para asegurar que otras reciban suficiente agua. La aplicación de nutrientes es más precisa con el riego por goteo. De este modo, se pueden reducir los gastos en fertilizantes y la pérdida de nitratos. Además, se puede escoger el mejor momento para fertilizar y satisfacer las necesidades de las plantas. 17 Es posible diseñar y manejar un sistema de riego por goteo de tal manera que el área entre hileras se mantenga seca, permitiendo así operaciones de tractores en cualquier momento. Esto facilita la aplicación de herbicidas, insecticidas y fungicidas en el momento más oportuno. Un aumento en el rendimiento y calidad es posible mediante la programación precisa del riego, la cual se hace posible con el sistema por goteo. Se han observado aumentos en rendimiento y calidad de cebolla, lúpulo, brócoli, coliflor, lechuga, melón, tomate, algodón y otros cultivos. El riego por goteo también tiene algunas Desventajas. Por lo general, la instalación de un sistema de riego por goteo cuesta entre $2,965 a $4,200 por hectárea ($1,200 a $1,700 por acre). Estos gastos no incluyen el costo del equipo para instalar o recoger las cintas o mangueras de goteo si el sistema no es permanente. Un sistema de goteo para vegetales anuales, tales como la cebolla, cuesta alrededor $2,965 por hectárea ($1,200 por acre) —aproximadamente $2,225 ($900) en gastos capitales (bombas, sistema de filtración y distribución de agua) y $740 ($300) en gastos anuales para la cinta de goteo. Los sistemas de goteo basados en mangueras con emisores interlíneas se usan con más frecuencia para las uvas, lúpulo y huertos de frutas. Estos sistemas cuestan entre $4,200 por hectárea ($1,700 por acre) a $5,190 ($2,100) y pueden durar de 12 a 15 años. Una de las razones por la gran variabilidad en el costo por hectárea o acre de las mangueras de goteo es la diferencia en la distancia entre hileras de plantas. Por ejemplo, la distancia entre las hileras de parras de uvas es menor que aquélla entre las plantas de lúpulo. Por eso se usa una cantidad mucho mayor de cinta en vid, aumentando el costo. Las mangueras duras con emisores a presión se usan con más frecuencia sobre el terreno y en invernaderos. El costo de estos sistemas varía mucho según su complejidad. A veces se instala un sistema más complicado o costoso de lo necesario. Para los agricultores que adoptan el riego por goteo por primera vez, es una buena idea comenzar con un sistema sencillo y un área limitada. Componentes y diseño Hay una gran variedad de componentes y opciones para el diseño del sistema. Hay gran variación en las especificaciones de la cinta, mangueras y emisores de goteo, dependiendo del fabricante y el uso del producto (Tabla No.1.1). El sistema de distribución, las válvulas y las bombas deben ser adecuados para la cinta específica. Hay que tener en cuenta las necesidades del cultivo y las propiedades del suelo antes de escoger el tipo de cinta, la profundidad de la cinta en el suelo, la 18 distancia entre cintas y emisores, la tasa de flujo y el programa de riego. Para los cultivos perennes, por ejemplo las parras o los álamos, por lo general se usan mangueras en lugar de cinta. El agua emitida por la manguera o cinta de riego debe alcanzar las raíces de las plantas. Tabla No. 1.1 Tipos de sistemas de riego por goteo. La selección de distancia entre emisores y profundidad de la cinta depende del sistema radicular de las plantas y las propiedades del suelo. Las plantas de semillero tienen un sistema radicular limitado, sobre todo a principios de la temporada. Un sistema de riego por goteo debe ser planificado y diseñado con cuidado. El diseño debe tener en cuenta el efecto de la topografía (inclinación y curvas de nivel) sobre los requisitos de presión y flujo. Para asegurar uniformidad en la aplicación de agua tenga en cuenta los siguientes factores: el tipo de cinta, la longitud de las cintas, la topografía y la necesidad de limpiar las cintas de vez en cuando. De ser necesario, el sistema debe incluir válvulas de escape. Para diseñar un sistema de riego por goteo, primero identifique las zonas de riego, es decir las áreas con características semejantes. Las zonas de riego deben basarse sobre varios factores: la topografía, la longitud del campo, la textura del suelo, la longitud óptima de la cinta y la capacidad del filtro. Los ingenieros que diseñan sistemas de riego utilizan computadoras para analizar estos factores y diseñar sistemas de riego por goteo eficientes. Una vez diseñado e instalado el sistema de riego es posible programar el riego, para satisfacer las necesidades específicas de los cultivos en cada zona, como en la figura No. 1.10. 19 Figura No. 1.10 Riego con tubería de goteo. 20 21 CAPÍTULO II INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del sigloXXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos. 2.1 CONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las señales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro del rango estipulado. Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón (chip) de un circuito integrado. Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso). Memoria RAM para Contener los datos. Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. 22 Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.). Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas: Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo. Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes. Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks. Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones. El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller). 2.2 DIFERENCIA ENTRE MICROCONTROLADOR Y MICROPROCESADOR El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta. Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine. (Figura No. 2.1). 23 Figura No. 2.1. Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación. Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del microcontrolador a utilizar. Figura No. 2.2 El microcontrolador es un sistema cerrado. Todas las partes del computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos. 24 2.3 APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC. 2.4 EL MERCADO DE LOS MICROCONTROLADORES Aunque en el mercado de la microinformática la mayor atención la acaparan los desarrollos de los microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de microcontroladores por cada uno de aquéllos. Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 o 32 bits. Aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del microcontrolador es el mercado automovilístico. De hecho, algunas de las familias de microcontroladores actuales se desarrollaron pensando en este sector, siendo modificadas posteriormente para adaptarse a sistemas más genéricos. El mercado del automóvil es además uno de los más exigentes: los componentes electrónicos deben operar bajo condiciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables. El fallo de cualquier componente en un automóvil puede ser el origen de un accidente. 25 En cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS 4 (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido. La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente: Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los computadores y sus periféricos. La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.) El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones. Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales. El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción. También los modernos microcontroladores de 32 bits van afianzando sus posiciones en el mercado, siendo las áreas de más interés el procesamiento de imágenes, las comunicaciones, las aplicaciones militares, los procesos industriales y el control de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos. 2.5 ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? A la hora de escoger el microcontrolador a emplear en un diseño concreto hay que tener en cuenta multitud de factores, como la documentación y herramientas de desarrollo disponibles y su precio, la cantidad de fabricantes que lo producen y por supuesto las características del microcontrolador (tipo de memoria de programa, número de temporizadores, interrupciones, etc.): Costes. Como es lógico, los fabricantes de microcontroladores compiten duramente para vender sus productos. Y no les va demasiado mal ya que sin hacer demasiado ruido venden 10 veces más microcontroladores que microprocesadores. Para que nos hagamos una idea, para el fabricante que usa el microcontrolador en su producto una diferencia de precio en el microcontrolador de algunas pesetas es importante (el consumidor deberá pagar además el coste del empaquetado, el de los otros componentes, el diseño del hardware y el desarrollo del software). Si el fabricante desea reducir costes debe tener en cuenta las herramientas de apoyo con que va a contar: emuladores, simuladores, ensambladores, compiladores, etc. Es habitual que muchos de ellos siempre se decanten por microcontroladores pertenecientes a una única familia. 26 Aplicación. Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la aplicación. Procesamiento de datos: puede ser necesario que el microcontrolador realice cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso debemos asegurarnos de seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá que tener en cuenta la precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con Un microcontrolador de 8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores de 16 o 32 bits, o incluso a hardware de coma flotante. Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar librerías para manejar los datos de alta precisión. Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema es conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado este análisis puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar a otro microcontrolador más adecuado a ese sistema. Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados con baterías y su funcionamiento puede ser tan vital como activar una alarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso como éste puede ser que el microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la activación de una señal (una interrupción) y ejecute el programa adecuado para procesarla. Memoria: para detectar las necesidades de memoria de nuestra aplicación debemos separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria puede ser útil para incluir información específica de la aplicación como un número de serie o parámetros de calibración. El tipo de memoria a emplear vendrá determinado por el volumen de ventas previsto del producto: de menor a mayor volumen será conveniente emplear EPROM, OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser imprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea en pseudo-código, de la aplicación y a partir de ella hacer una estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria y si es conveniente disponer de memoria no volátil modificable. Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador de menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción en los costes 27 importante, mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado coste, deben reservarse para aplicaciones que requieran sus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado). Diseño de la placa: la selección de un microcontrolador concreto condicionará el diseño de la placa de circuitos. Debe tenerse en cuenta que quizá usar un microcontrolador barato encarezca el resto de componentes del diseño. Los microcontroladores más populares se encuentran, sin duda, entre las mejores elecciones: 8048 (Intel). Es el padre de los microcontroladores actuales, el primero de todos. Su precio, disponibilidad y herramientas de desarrollo hacen que todavía sea muy popular. 8051 (Intel y otros). Es sin duda el microcontrolador más popular. Fácil de programar, pero potente. Está bien documentado y posee cientos de variantes e incontables herramientas de desarrollo. 80186, 80188 y 80386 EX (Intel). Versiones en microcontrolador de los populares microprocesadores 8086 y 8088. Su principal ventaja es que permiten aprovechar las herramientas de desarrollo para PC. 68HC11 (Motorola y Toshiba). Es un microcontrolador de 8 bits potente y popular con gran cantidad de variantes. 683xx (Motorola). Surgido a partir de la popular familia 68k, a la que se incorporan algunos periféricos. Son microcontroladores de altísimas prestaciones. PIC (MicroChip). Familia de microcontroladores que gana popularidad día a día. Fueron los primeros microcontroladores RISC. Es preciso resaltar en este punto que existen innumerables familias de microcontroladores, cada una de las cuales posee un gran número de variantes. 2.6 RECURSOS COMUNES A TODOS LOS MICROCONTROLADORES Al estar todos los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental y sus características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos. Sin embargo, cada 28 fabricante intenta enfatizar los recursos más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente. En este apartado se hace un recorrido de todos los recursos que se hallan en todos los microcontroladores describiendo las diversas alternativas y opciones que pueden encontrarse según el modelo seleccionado. 2.6.1 Arquitectura básica Aunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica de von Neumann, en el momento presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control). La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias. Figura No. 2.3. Los microcontroladores PIC responden a la arquitectura Harvard. Figura No. 2.3. La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes para datos y para instrucciones, permitiendo accesos simultáneos. 2.6.2 El procesador o UCP Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que 29 implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y el almacenamiento del resultado. Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales. CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros. RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador. SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es “específico”, o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico). 2.6.3 Memoria En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos. Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores personales: 1. No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes. 2. Como el microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria ROM, solo hay que almacenar un único programa de trabajo. 30 La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la ROM. Los usuarios de computadores personales están habituados a manejar Megabytes de memoria, pero, los diseñadores con microcontroladores trabajan con capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes y de RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes. Según el tipo de memoria ROM que dispongan los microcontroladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado. 1º. ROM con máscara Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades. 2ª. OTP El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura “programable una sola vez” por el usuario. OTP (One Time Programma ble). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido. 3ª EPROM Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico. 31 4ª EEPROM Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan “grabadores en circuito” que co nfieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continúa. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta. 5ª FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados “en circuito”, es decir, sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta. Así, un dispositivo con este tipo de memoria incorporado al control del motor de un automóvil permite que pueda modificarse el programa durante la rutina de mantenimiento periódico, compensando los desgastes y otros factores tales como la compresión, la instalación de nuevas piezas, etc. La reprogramación del microcontrolador puede convertirse en una labor rutinaria dentro de la puesta a punto. 32 2.6.4 Puertas de Entrada y Salida La principal utilidad de las patitas que posee la cápsula que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores. Según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control. 2.6.5 Reloj principal Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema. Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C. Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado un incremento del consumo de energía. 2.7 RECURSOS ESPECIALES Cada fabricante oferta numerosas versiones de una arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el coste, el hardware y el software. Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son: a) Circuito de reloj, encargado de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. b) Temporizados, orientados a controlar el tiempo. c) Perro guardián (watchdog), destinado a provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. d) Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. e) Comparadores analógicos, para verificar el valor de una señal analógica. 33 f) Sistemas de protección ante fallas de la alimentación. g) Estado de reposo, en el que el sistema queda “congelado” y el consumo de energía se reduce al mínimo. 2.8 LAS GAMAS DE PIC Una de las labores más importantes del ingeniero de diseño es la elección del microcontrolador que mejor satisfaga las necesidades del proyecto con el mínimo presupuesto. Para resolver aplicaciones sencillas se precisan pocos recursos, en cambio, las aplicaciones grandes requieren numerosos y potentes. Siguiendo esta filosofía Microchip construye diversos modelos de microcontroladores orientados a cubrir, de forma óptima, las necesidades de cada proyecto. Así, hay disponibles microcontroladores sencillos y baratos para atender las aplicaciones simples y otros complejos y más costosos para las de mucha envergadura. Microchip dispone de cuatro familias de microcontroladores de 8 bits para adaptarse a las necesidades de la mayoría de los clientes potenciales. En la mayor parte de la bibliografía encontrareis tan solo tres familias de microcontroladores, con lo que habrán despreciado la llamada gama enana, que es en realidad una subfamilia formada por componentes pertenecientes a las otras gamas. En nuestro caso hemos preferido comentarla dado que los PIC enanos son muy apreciados en las aplicaciones de control de personal, en sistemas de seguridad y en dispositivos de bajo consumo que gestionan receptores y transmisores de señales. Su pequeño tamaño los hace ideales en muchos proyectos donde esta cualidad es fundamental. 2.8.1 La gama enana: PIC12C (F) XXX de 8 patitas Se trata de un grupo de PIC de reciente aparición que ha acaparado la atención del mercado. Su principal característica es su reducido tamaño, al disponer todos sus componentes de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y consumen menos de 2 mA cuando trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente. En la figura No. 2.4 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC. 34 Figura No. 2.4 Diagrama de conexiones de los PIC12Cxxx de la gama enana. Aunque los PIC enanos sólo tienen 8 patitas, pueden destinar hasta 6 como líneas de E/S para los periféricos porque disponen de un oscilador interno R-C. En la tabla No. 2.1 se presentan las principales características de los modelos de esta subfamilia, que el fabricante tiene la intención de potenciar en un futuro próximo. Los modelos 12C5xx pertenecen a la gama baja, siendo el tamaño de las instrucciones de 12 bits; mientras que los 12C6xx son de la gama media y sus instrucciones tienen 14 bits. Los modelos 12F6xx poseen memoria Flash para el programa y EEPROM para los datos. Modelo Memoria Programada Memoria de datos Frecuen cia Máxima 4MHZ 4MHZ 4MHZ 4MHZ 4MHZ 4MHZ 4MHZ Líneas E/S ADC 8 Bits Temporizado res Patitas PIC12C508 PIC12C509 PIC12C670 PIC12C671 PIC12C672 PIC12C680 PIC12C681 512x12 1024x12 512x14 1024x14 2048x14 512x12flash 1024x14flash 25x8 41x8 80x8 128x8 128x8 80x8 16x8EEPROM 80x8 16X8EEPROM 6 6 6 6 6 6 6 2 4 4 TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD 8 8 8 8 8 8 8 Tabla No. 2.1 Características de los modelos PIC12C (F) XXX de la gama enana. 35 2.8.2 Gama baja o básica: PIC16C5X con instrucciones de 12 bits. Se trata de una serie de PIC de recursos limitados, pero con una de la mejores relaciones coste/prestaciones. Sus versiones están encapsuladas con 18 y 28 patitas y pueden alimentarse a partir de una tensión de 2,5 V, lo que les hace ideales en las aplicaciones que funcionan con pilas teniendo en cuenta su bajo consumo (menos de 2 mA a 5 V y 4 MHz). Tienen un repertorio de 33 instrucciones cuyo formato consta de 12 bits. No admiten ningún tipo de interrupción y la Pila sólo dispone de dos niveles. En la figura No. 2.5 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC. Figura No. 2.5 Diagrama de patitas de los PIC de la gama baja que responden a la nomenclatura PIC16C54/56. Al igual que todos los miembros de la familia PIC16/17, los componentes de la gama baja se caracterizan por poseer los siguientes recursos: (en la tabla No. 2.2 se presentan las principales características de los modelos de esta familia). 1. Sistema POR (“Power On Reset”) Todos los PIC tienen la facultad de generar una autoreinicialización o autoreset al conectarles la alimentación. 2. Perro guardián (Watchdog o WDT) Existe un temporizador que produce un reset automáticamente si no es recargado antes que pase un tiempo prefijado. Así se evita que el sistema quede “colgado” dado en esa situación el programa no recarga dicho temporizador y se genera un reset. 36 3. Código de protección Cuando se procede a realizar la grabación del programa, puede protegerse para evitar su lectura. También disponen los PIC de posiciones reservadas para registrar números de serie, códigos de identificación, prueba, etc. Memoria programa (x12Bits) EEPROM ROM 384 512 512 512 512 1K 2K 2K 2K 2K Modelo Memoria datos (bytes) 25 25 25 25 24 25 72 72 73 73 Frecuencia Máxima Líneas E/S Temporizadores Patitas PIC16C52 PIC16C54 PIC16C54A PIC16CR54A PIC16C55 PIC16C56 PIC16C57 PIC16C57B PIC16C58A PIC16CR58A 4MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 20MHZ 4 12 12 12 20 12 20 20 12 12 TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD TMRD+WTD 18 18 18 18 28 18 28 28 18 18 Tabla No. 2.2 Principales características de la gama baja. 4. Líneas de E/S de alta corriente Las líneas de E/S de los PIC pueden proporcionar o absorber una corriente de salida comprendida entre 20 y 25 mA, capaz de excitar directamente ciertos periféricos. 5. Modo de reposo (Bajo consumo o “sleep”) Ejecutando una instrucción (SLEEP), la CPU y el oscilador principal se detienen y se reduce notablemente el consumo. Para terminar el comentario introductorio sobre los componentes de la gama baja conviene nombrar dos restricciones importantes: La pila o “stack” sólo dispone de dos niveles lo que supone no poder encadenar más de dos subrutinas. Los microcontroladores de la gama baja no admiten interrupciones. 37 2.8.3 Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits Es la gama más variada y completa de los PIC. Abarca modelos con encapsulado desde 18 patitas hasta 68, cubriendo varias opciones que integran abundantes periféricos. Dentro de esta gama se halla el «fabuloso PIC16X84» y sus variantes. En la figura No. 2.6 se muestra el diagrama de conexionado de uno de estos PIC. Figura No. 2.6 Diagrama de patitas del PIC16C74, uno de los modelos más representativos de la gama media. En esta gama sus componentes añaden nuevas prestaciones a las que poseían los de la gama baja, haciéndoles más adecuados en las aplicaciones complejas. Admiten interrupciones, poseen comparadores de magnitudes analógicas, convertidores A/D, puertos serie y diversos temporizadores. El repertorio de instrucciones es de 35, de 14 bits cada una y compatible con el de la gama baja. Sus distintos modelos contienen todos los recursos que se precisan en las aplicaciones de los microcontroladores de 8 bits. También dispone de interrupciones y una Pila de 8 niveles que permite el anidamiento de subrutinas. En el anexo A se presentan las principales características de los modelos de esta familia. 38 Encuadrado en la gama media también se halla la versión PIC14C000, que soporta el diseño de controladores inteligentes para cargadores de baterías, pilas pequeñas, fuentes de alimentación interrumpibles y cualquier sistema de adquisición y procesamiento de señales que requiera gestión de la energía de alimentación. Los PIC 14C000 admiten cualquier tecnología de las baterías como Li-Ion, NiMH, NiCd, Ph y Zinc. El temporizador TMR1 que hay en esta gama tiene un circuito oscilador que puede trabajar asíncronamente y que puede incrementarse aunque el microcontrolador se halle en el modo de reposo (“sleep”), posibilitando la implementación de un reloj en tiempo real. Las líneas de E/S presentan una carga “pull-up” activada por software. 2.8.4 Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits. Se alcanzan las 58 instrucciones de 16 bits en el repertorio y sus modelos disponen de un sistema de gestión de interrupciones vectorizadas muy potente. También incluyen variados controladores de periféricos, puertas de comunicación serie y paralelo con elementos externos, un multiplicador hardware de gran velocidad y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos. Quizás la característica más destacable de los componentes de esta gama es su arquitectura abierta, que consiste en la posibilidad de ampliación del microcontrolador con elementos externos. Para este fin, las patitas sacan al exterior las líneas de los buses de datos, direcciones y control, a las que se conectan memorias o controladores de periféricos. Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado número de patitas comprendido entre 40 y 44. Esta filosofía de construcción del sistema es la que se empleaba en los microprocesadores y no suele ser una práctica habitual cuando se emplean microcontroladores. En el anexo B se muestran las características más relevantes de los modelos de esta gama, que sólo se utilizan en aplicaciones muy especiales con grandes requerimientos. Con vistas al siglo XXI, Microchip lanzará la gama “mejorada” PIC18CXXX, probablemente cuando este documento caiga en vuestras manos ya lo este. 39 40 CAPÍTULO III DISEÑO DEL SISTEMA DE RIEGO Es necesario determinar factores necesarios para el montaje y correcto funcionamiento del sistema de riego por aspersor. 3.1 MEDICIÓN DEL TERRENO A REGAR 1. El primer paso para diseñar un sistema de riego es medir la propiedad (en este caso el terreno del Tecnológico) e indicar la ubicación de las electroválvulas y la tubería. Para esto en una hoja de papel se hace un esquema de su propiedad y se colocan las medidas en dicho esquema. Asegúrese de incluir todos los caminos y patios, entradas para automóviles y cercos. Mientras esté tomando las medidas, observe la ubicación de cualquier árbol, arbusto y área cubierta con césped y dibújelos en el esquema. 2. Luego, dibuje el plano del terreno a escala en el papel cuadriculado facilitado. La escala puede ser 1:100; 1:200 (1 cm = 1 m) o lo que usted decida. Escriba la escala en el plano y anote el césped, cerco, cobertura del terreno y árboles grandes. 3. En el plano, divida el terreno en áreas. Las áreas deberán ser cuadrados o rectángulos y lo más grandes posibles. Considere la información del paso anterior cuando divida el plano del terreno: patio de adelante, patio de atrás y patio lateral, áreas con césped o arbustos y áreas con sombra. Denomine sus áreas como: A, B, C, D, etc. (Vea la figura No. 3.1) 41 Figura No. 3.1 Áreas del esquema. 3.2 DETERMINAR LA CAPACIDAD DEL DISEÑO DEL SISTEMA Cuando se esté planeando un sistema de riego automático eficaz, se deberá determinar la Capacidad de Diseño del Sistema adecuada —la cantidad de agua disponible para el riego de dichas áreas. Si el sistema es instalado utilizando el agua de la ciudad o una fuente existente de agua, siga los pasos a continuación. Si el agua se extrajera de un lago, tanque o pozo, el instalador de la bomba tendrá disponibles las especificaciones de la presión y el volumen. 3.2.1 Presión de Agua (kPa) (Bares) Para verificar la presión de agua, coloque un manómetro de presión en la llave de afuera más cercana a la fuente de agua, como se muestra en la figura No. 3.2 y se registra este número. Asegúrese de que ninguna de las llaves de la residencia esté abierta. Esta es la presión de agua estática en kPa o Bares. 42 Figura No. 3.2 Medición de la presión del agua atreves de un manómetro. O bien se puede usando la llave de jardín más cercana al medidor de agua potable, una vez abierta totalmente ponga un balde de volumen conocido y tome el tiempo que toma en llenarse como se indica en la figura No. 3.3. Dividiendo el contenido del balde en litros por el tiempo que tomó en llenarse en segundos, tendremos el caudal (C) en litros por segundo (l/seg) que entrega el medidor, es decir aplicando el principio del cálculo del caudal (Esta guía es representativa para medidores entre 1/2” y 1”). Figura No. 3.3 Determinación de la presión del agua atreves del principio de cálculo del caudal. 43 3.2.2 Volumen de Agua (l/min) Para determinar el volumen de agua disponible para el sistema, se necesitará saber dos cosas: A. ¿Cuál es el tamaño del medidor de agua o de la tubería de suministro de agua? Por lo general, los medidores de agua tienen el tamaño inscrito en el cuerpo del medidor. Los tamaños más comunes son de 15 mm, 20 mm y 25 mm. En algunas áreas, el suministro de agua está conectado directamente con la tubería principal de la ciudad sin utilizar el medidor de agua. En este caso, simplemente se registra el tamaño de la línea de servicio. B. ¿Cuál es el tamaño de la línea de servicio? Se mide la circunferencia exterior del tubo que va desde la tubería principal hacia la residencia. Con un trozo de hilo abrace el tubo, mídalo y utilice la tabla No. 3.1 a la derecha para convertirlo al tamaño del tubo. Tabla No. 3.1 Tabla de referencia para determinar el tamaño de la línea de servicio. 3.2.3 Capacidad de Diseño del Sistema Se usara la tabla No. 3.2, para determinar la capacidad de diseño del sistema de riego en litros por minuto (l/min) en base a los datos registrados anteriormente. Registramos este número, luego, se busca la presión estática del sistema y yendo hacia abajo en esa columna busque la presión de funcionamiento del sistema; y regístrela. La presión de funcionamiento será utilizada al elegir los aspersores y diseñar el sistema. 44 Se ha establecido los l/min máximos y la presión de funcionamiento aproximada disponible para el sistema de riego. Si se excediera esos límites máximos, podría resultar en un riego ineficaz o en una condición conocida como golpe de ariete, lo que podría causar daños graves al sistema. Estos dos números serán utilizados en el proceso del diseño. Tabla No. 3.2 Capacidad de diseño del sistema de riego en litros por minuto (l/min). 3.3 SELECCIÓN DE LOS ASPERSORES Existen dos clases básicas de aspersores para uso residencial: los aspersores para áreas grandes y los difusores para áreas pequeñas. No deberá instalarse nunca los aspersores en la misma zona que los difusores. 1. Los aspersores cubrirán áreas mínimas de 8 por 8 metros. 2. Los difusores y el PGJ (aspersor de alcance mediano) generalmente se utilizan en áreas más pequeñas de 8 por 8 metros. 45 Dentro de ambos grupos están los aspersores emergentes como se muestran en la figura No. 3.4, que se instalan nivelados con el terreno y aspersores fijos instalados de forma aérea para regar arbustos por ejemplo. Esta medida de 8 por 8 metros no es una regla inalterable, más que nada constituye una pauta. La única consideración que restringe el tamaño y el área en la que se puede utilizar los difusores, es una razón económica. Por lo general, si puede utilizar un aspersor para un área grande significa que utilizará menos tubos, electroválvulas y un programador con menor número de estaciones. Figura No. 3.4 Tipos de aspersores y difusores. 46 3.4 UBICACIÓN DE LOS ASPERSORES Se decide en qué lugar instalar los aspersores y difusores. Los aspersores deberán colocarse a una distancia entre 8 y 12 metros. Los aspersores de mediano alcance deberán colocarse a una distancia entre 5 y 8 metros. Los difusores deberán colocarse a una distancia entre 3 y 5 metros. (Este espaciamiento permitirá el traslape de riego y asegurará la distribución uniforme de agua.) No combine diferentes tipos de aspersores dentro de una misma área. No coloque los aspersores demasiado separados; manténgase dentro de las especificaciones mencionadas en las tablas de Rendimiento de Aspersores de la contraportada. El espaciamiento se determina de acuerdo al tamaño del área a la que está sirviendo el aspersor, como se indica en la figura No. 3.5. Figura No. 3.5 Ubicación de los aspersores. Además, deberá espaciarse para que rocíe tanto al aspersor de al lado como al de enfrente. Comience la colocación de los aspersores trabajando en un área a la vez: Paso 1. Los puntos críticos en un plano son las esquinas. Dibuje en cada esquina un aspersor con un patrón de rociado de un cuarto de círculo. Utilizando un compás, dibuje un arco indicando la configuración de riego del aspersor. Paso 2. Si los aspersores de un cuarto no se rocían entre sí (espaciamiento de aspersor a aspersor), coloque los aspersores a lo largo de los perímetros. Dibuje los patrones de riego de estos aspersores. 47 Paso 3. Ahora, fíjese si los aspersores del perímetro rociarán a través del área a los aspersores del otro lado. Si no lo hacen, añada aspersores de círculo completo en el medio. Un modo sencillo de ubicar estos aspersores es dibujando líneas rectas perpendiculares desde un aspersor del perímetro al otro. Nuevamente, utilizando el compás, dibuje un arco indicando la configuración de riego del aspersor para asegurarse de que haya cobertura completa. En la figura No. 3.6 se describen cada uno de los pasos mencionados de forma gráfica. . Figura No. 3.6 Descripción grafica de los pasos 48 3.5 UBICACIÓN DE LAS VÁLVULAS Y TAMAÑOS DE LOS TUBOS Cada una de las zonas debe tener su propia válvula. La válvula controla el caudal del agua en una zona de aspersores. Indique una electroválvula para cada zona y luego agrupe las electroválvulas en una zona, creando una agrupación de electroválvulas. Figura No. 3.7 Válvulas y tubería Determine la ubicación de las válvulas para cada área. Es posible que usted desee una agrupación en el patio de adelante y otro en el de atrás o más ubicaciones. Le recomendamos que sea en un lugar accesible para facilitar su mantenimiento. Coloque las válvulas cerca del área de riego pero donde usted no se mojará al activar el sistema manualmente, como se muestra en la figura No. 3.7. Línea Lateral Las dos clases más comunes de tuberías utilizadas en los sistemas de riego son PVC y polietileno. 1. Dibuje una línea que conecte todos los aspersores en cada una de las zonas. Siga el ejemplo de la figura No. 3.8 y dibuje el camino más directo con la menor cantidad de vueltas o cambios de dirección posibles. 2. Dibuje una línea desde la línea lateral a la válvula de la zona. Esta debe ser la línea más directa posible. 49 3. Comience midiendo el tubo. Empiece con el aspersor más lejano a la válvula de la zona. El tubo que conecta el último aspersor con el penúltimo aspersor debe ser de 25 mm. Figura No. 3.8 Conexión de los Aspersores con los Tubos de PVC o de Polietileno. 50 51 CAPÍTULO IV IMPLEMENTACION Y PRUEBAS DEL SISTEMA 4.1 MICROCONTROLADOR 16F877A Para llevar a cabo la implementación del prototipo del sistema de riego para el ITSAL, se eligió el Pic 16f877a, ya que con él se hará la automatización del riego. El PIC16F877 es un microcontrolador con memoria de programa tipo FLASH, lo que representa gran facilidad en el desarrollo de prototipos. La estructura externa de este Pic se muestra en la figura No 4.1 y se describe a continuación. Figura No 4.1 Estructura externa del PIC 16f877A. Los pines de entrada/salida de este microcontrolador están organizados en cinco puertos, el puerto A con 6 líneas, el puerto B con 8 líneas, el puerto C con 8 líneas, el puerto D con 8 líneas y el puerto E con 3 líneas. El consumo de corriente del microcontrolador para su funcionamiento depende del voltaje de operación, la frecuencia y de las cargas que tengan sus pines. Para un oscilador de 4 MHz el consumo es de aproximadamente 2 mA. 52 La descripción de cada uno de los pines se muestra en la tabla No 4.1 NOMBRE PIN RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2 Vref RA3/AN3/Vref + RA4/T0CKI PIN 2 3 4 5 6 DESCRIPCION E/S Digital o Entrada análoga 0. E/S Digital o Entrada análoga 1. E/S Digital o Entrada análoga 2. E/S Digital o Entrada análoga 3 Bit 4 del puerto A (E/S bidireccional). También se usa como entrada de reloj al temporizador/contador TMR0. Salida de colector abierto. E/S Digital o Entrada análoga 4. También lo usa el puerto serial síncrono. Bit 0 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL/ST. También se usa como entrada de interrupción externa (INT). Bit 1 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL Bit 2 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL Bit 3 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL (Programación en bajo voltaje) Bit 4 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL. Interrupción por cambio del pin. Bit 5 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL. Interrupción por cambio del pin. Bit 6 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL/ST. Interrupción por cambio del pin. Entrada de reloj para programación serial. Bit 7 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL/ST. Interrupción por cambio del pin. Entrada de datos para programación serial. E/S Digital. Salida del oscilador Timer 1 o entrada de reloj Timer 1. E/S Digital. Entrada del oscilador Timer 1. Entrada Captura 2; Salida Compara 2; Salida PWM 2 E/S Digital. Entrada Captura 1; Salida Compara 1; Salida PWM 1 E/S Digital. Línea de reloj serial asíncrono en el modo SPI y el modo I²c E/S Digital. E/S Digital. Transmisión asíncrona (USART) o reloj síncrono (SSP). E/S Digital. Recepción asíncrona (USART) o línea de datos (SSP). Voltaje de alimentación DC (+) Referencia de voltaje (GND). 53 RA5/SS/AN4 RB0/INT 7 33 RB1 RB2 RB3/ PGM RB4 RB5 RB6/PGC 34 35 36 37 38 39 RB7/PGD 40 RC0/T1OSO/T1C 15 KI RC1/T1OSI/ CCP1 16 RC2/ CCP2 RC3/SCK/SCL RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT VDD VSS 17 18 24 25 26 11,32 12,31 MCLR 1 OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD4/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 RE0/RD/AN5 13 14 19 20 21 22 23 24 29 30 8 9 RE1/WR/AN6 9 RE2/CS/AN7 10 10 Entrada de RESET al microcontrolador. Voltaje de entrada durante la programación. En nivel bajo resetea el microcontrolador. Entrada oscilador cristal oscilador / Entrada fuente de reloj externa. Salida oscilador cristal. Oscilador RC: Salida con un ¼ frecuencia OSC1 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. E/S Digital. Puede ser pin de lectura (read) en modo microprocesador. E/S Digital. Puede ser pin de escritura (write) en modo microprocesador. RE2/CS/AN7 10 E/S Digital. Puede ser pin de selección de chip (chip select) en modo microprocesador. Tabla No 4.1 Descripción de los pines del microcontrolador. Con conocimiento previo acerca de los microcontroladores se procede a la programación en el PIC C Compiler, el código del programa para el sistema de riego se presenta en el anexo A. 54 4.2 DISEÑO EN PROTEUS Para continuar con el diseño se requiere de la instalación previa del programa Proteus 7.7, y se selecciona cada uno de los componentes a utilizar y la cantidad de componentes así como su valor en el caso de las resistencias, después de tener los elementos a utilizar se hacen las conexiones correspondientes. Para el diseño del sistema de riego en el Proteus se utilizara un microcontrolador 16f877a, un LCD, 7 resistencias con valor de 260 ohm, 2 leds representaran las bombas, 2 push button que se usaran para cambiar las horas o minutos respectivamente y 3 switches en los cuales 2 serán para el alto y bajo del sensor de nivel del tanque y el otro para el paro de emergencia. Uniendo todos los componentes mencionados anteriormente se tendrá el diseño que se muestra en la figura No. 4.2. Figura No. 4.2 Diseño en Proteus del sistema de riego Se compila el programa que se ha realizado con anterioridad, al ejecutarse en el Proteus se ve el funcionamiento de cada uno de los componentes, si algún funcionamiento es incorrecto se regresa al PIC C Compiler para hacer las correcciones que se desee. 55 4.3 IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS Una vez que se tiene el correcto funcionamiento del circuito en el Proteus se procede a la implementación en el protoboard, para la implementación en el protoboard se necesitara de algunos componentes extras que en el Proteus no se anexaron, en la tabla No. 4.2 se muestran los materiales que se utilizan para la implementación. MATERIALES 1 Protoboard 1 PIC 16f877a 1 LCD 1 Potenciómetro de 5 k 1 Cristal de 4 Mhz 2 Capacitores cerámicos de 22 picofaradios 3 Push button 8 Resistencias de 220 y 330 ohm 2 Leds Tabla No 4.2 Lista de materiales. 1 Switch 2 Opto acopladores 2 relevadores de 12 volts Una fuete de 5 volt Una fuente de 12 volts Cable UTP 2 Bombas de pecera Pines Conector hembra y macho Una vez que se tienen los materiales se procede a las conexiones en el protoboard, guiándose del diseño realizado en el Proteus, al realizarse las conexiones se tuvieron los resultados deseados por tal motivo se anexaron los componentes que en Proteus no se presentaron. La implementación con esta primera prueba se muestra en la figura No 4.3. 56 Figura No. 4.3 Implementación del sistema de riego. Para llegar a la implementación final se anexan los opto acopladores en lugar de los led y los relevadores de 12 volts, esta parte del circuito es la etapa de potencia, ya que los opto acopladores se encargaran de activar el relevador de 12 volts y este a su vez activara las bombas para transportar el agua del primer recipiente al segundo y en el tiempo indicado por el programador se activara la segunda bomba que pasara el agua del segundo recipiente a los tres recipientes que representaran las tres secciones en la que fue dividido el Instituto Tecnológico. Para controlar la intensidad del LCD se conectara el potenciómetro en las terminales 1 (-), 2(+) y 3 del LCD. En el diseño con Proteus se utilizaban 3 switches, pero en la implementación se utilizara únicamente uno, que será el botón de paro del sistema de riego, los otros dos switches se sustituirán por cable UTP que representaran el sensor del nivel del tanque tanto el sensor bajo como el sensor alto. La implementación final del sistema de riego en el protoboard se muestra en la figura No 4.4. Figura 4.4 Circuito final. 57 4.4 ELABORACIÓN DE LA MAQUETA E INSTALACIÓN DEL CIRCUITO. El circuito ha funcionado correctamente, ahora se procede a la elaboración de la maqueta, para poder instalar el circuito en ella y ver el funcionamiento de las bombas y si el sistema de riego funciona como se tenía previsto. La maqueta terminada se muestra en la figura No. 4.5. Figura No. 4.5 Prototipo final. 58 CONCLUSIONES Castro León Gustavo Iván El diseño permitió poder aplicar conocimientos adquiridos durante la carrera de electrónica, como la programación de microcontroladores, sistemas de control entre otras materias y en base a esto se pudo cumplir con el objetivo principal que era diseñar un sistema de riego automatizado para las áreas verdes del Tecnológico de Salina Cruz, cabe mencionar que con un sistema de riego automatizado se regaran dichas áreas de manera más rápida y en menor tiempo, incluso hasta las áreas más lejanas lo cual podrá posibilitar la ampliación o habilitación de ellas. Fermín García Marily Con este proyecto se obtuvo los resultados previstos, dando a demostrar a través de un prototipo que el Tecnológico puede llegar a contar con su propio sistema de riego mismo que mantendrá las áreas verdes en buen estado y de esta manera mejorar la presentación del Instituto. Al construir el circuito y anexarles los componentes que en el diseño con el Proteus no se incluían, la etapa de potencia no funcionaba ya que para esta etapa se había propuesto usar transistores, al no activar el transistor los relevador, se cambió por optoacopladores, ya que estos componentes se habían utilizado en otra materia para activar motores, se cambió y los resultados fueron los adecuados, por tal motivo la etapa de potencia se elabora con optoacopladores quienes activan los relevadores y estos a su vez activan las bombas. Hernández López Rosalba El diseño del proyecto de sistema de riego, permitió aplicar algunos de los conocimientos aprendidos a lo largo de nuestro trayecto como estudiante, cumpliendo así nuestro principal objetivó lograr diseñar un sistema de riego para el ITSAL. Es bien sabido que en estos tiempos es mejor automatizar las cosas ya que la automatización permite un mejor desarrollo y ayuda a facilitar los trabajos de las personas al no hacer o realizar las actividades como por lo general por costumbre hacer las cosas manualmente. Por eso en la elaboración de este proyecto para el ITSAL se busca ahorrar agua y mantener las plantas en mejores condiciones de riego. 59 BIBLIOGRAFÍA Alberto, M. O. (1985). MANUAL DE RIEGO. México DF: alfaguara. Enríque Mandado Pérez, L. M. (2007). MICROCONTROLADORES PIC. SISTEMA INTEGRADO PARA EL AUTOAPRENDIZAJE. barcelona: ediciones técnicas, marcombo. Kuo, B. C. (1996). SISTEMAS DE CONTROL AUTOMATICO. México: PRENTICE-HALL. Beijo, E. G. (2008). COMPILADOR C CCS Y SIMULACION PROTEUS PARA MICROCONTROLADORES PIC. México: alfaomega. 60 OTRAS FUENTES CONSULTADAS Microchip. MANUAL DEL PIC 16F87X. Beijo, E. G. (2008). COMPILADOR C CCS Y SIMULACION PROTEUS PARA MICROCONTROLADORES PIC. México : alfaomega. ORBIT. RIEGO AUTOMATICO: DISEÑO, INSTALACION Y PRODUCTOS. Microchip. MANUAL DEL OPTOACOPLADOR PC817. 61 GLOSARIO DE TÉRMINOS A Aridez: Es la falta de agua en el suelo y de humedad en el aire que se halla en contacto con él. Arquetas: Una arqueta es un pequeño depósito utilizado para recibir, enlazar y distribuir canalizaciones o conductos subterráneos; suelen estar enterradas y tienen una tapa superior para evitar accidentes y poder limpiar su interior de impurezas. Aspersión: El riego por aspersión es una modalidad de riego mediante la cual el agua llega a las plantas en forma de "lluvia" localizada. Aspersores: Un aspersor o sorpersor, es un dispositivo mecánico que en la mayoría de los casos transforma un flujo líquido presurizado y lo transforma en rocío, asperjándolo para fines de riego. Autónomos: Se aplica a la persona u objetos que trabajan por cuenta propia. B Bucle: Conjunto de instrucciones que son ejecutadas de manera repetitiva, hasta que se cumpla una condición dada o se detenga manualmente el proceso. C Césped: Se da el nombre de césped, grama, hierba o pasto a una docena de especies de plantas que crecen formando una cubierta densa. Circunferencia: La circunferencia es una curva plana y cerrada donde todos sus puntos están a igual distancia del centro. D Despilfarro: gasto excesivo e innecesario de bienes materiales o inmateriales Difusores: Los difusores variables son válvulas que cambian su sección de paso cuando se modifican las propiedades del fluido que las cruza. E Energético: Se considera como recurso energético a toda aquella sustancia sólida, líquida o gaseosa, de la cual podemos obtener energía a través de diversos procesos. Envergadura: Importancia, categoría o trascendencia de una cosa. 62 Errante: Se aplica a la persona, animal o cosa que anda de un lado para otro sin tener lugar fijo. Exudar: Dejar salir un cuerpo o un recipiente el líquido que contiene a través de sus poros o grietas F Fertirrigación: Es una técnica que permite la aplicación simultanea de agua y fertilizantes a través del sistema de riego. Fitosanitarios: Se define como aquella sustancia o mezcla de sustancias destinadas a prevenir la acción de, o destruir directamente, insectos, ácaros, moluscos, roedores, hongos, malas hierbas, bacterias y otras formas de vida animal o vegetal perjudiciales para la salud pública. Frigoríficos: Nevera electrodoméstico con forma de armario usado para conservar comestibles a baja temperatura. Fungicidas: son sustancias tóxicas que se emplean para impedir el crecimiento o eliminar los hongos y mohos perjudiciales para las plantas, los animales o el hombre. G Gama: Serie de cosas de la misma clase pero distintas en alguno de sus elementos constitutivos. H Hardware: se refiere a todas las partes tangibles de un sistema informático; sus componentes son: eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos. Herbáceos: Se aplica a la planta que tiene el aspecto o las características de la hierba, al estrato de vegetación cercano al suelo. Herbicidas: Un herbicida es un producto fitosanitario utilizado para eliminar plantas indeseadas. Hídrico: Se constituyen en uno de los temas naturales renovables más importante para la raza humana. (Agua). I Incipiente: Que empieza a desarrollarse, especialmente si es con fuerza y energía. Insecticida: Es un compuesto químico utilizado para matar insectos. 63 Invernadero: Es un lugar cerrado, estático y accesible a pie, que se destina a la producción de cultivos, dotado habitualmente de una cubierta exterior translúcida de vidrio o plástico, que permite el control de la temperatura, la humedad y otros factores ambientales para favorecer el desarrollo de las plantas. L Labranza: Conjunto de labores que se dan a las tierras, Hacienda de campo o tierra de labor. Lixiviación: Se llama así al fenómeno de desplazamiento de sustancias solubles o dispersables (arcilla, sales, hierro, humus) causado por el movimiento de agua en el suelo, y es, por lo tanto, característico de climas húmedos. Lúpulo: Es una de las tres especies de plantas del género humulus, de la familia de las Cannabáceas. M Maleza: Se denomina monte o planta indeseable a cualquier especie vegetal que crece de forma silvestre en una zona cultivada o controlada por el ser humano como cultivos agrícolas o jardines. Manómetro: El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local. Microcontroladores: Un microcontrolador, es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Migraciones: Se denomina migración a todo desplazamiento de la población (humana o animal) que se produce desde un lugar de origen a otro destino y lleva consigo un cambio de la residencia habitual O Ornamentales: es aquella que se cultiva y se comercializa con propósitos decorativos por sus características estéticas, como las flores, hojas, perfume, la textura de su follaje, frutos o tallos en jardines y diseños paisajísticos, como planta de interior o para flor cortada. 64 P Percolación: Se refiere al paso lento de fluidos a través de los materiales porosos, ejemplos de este proceso es la filtración y la lixiviación. Así se originan las corrientes subterráneas. Polietileno: Es el plástico más popular del mundo. Éste es el polímero que hace las bolsas de almacén, los frascos de champú, los juguetes de los niños, e incluso chalecos a prueba de balas. Presostatos: también es conocido como interruptor de presión. Es un aparato que cierra o abre un circuito eléctrico dependiendo de la lectura de presión de un fluido. Pseudocódigo: En ciencias de la computación, y análisis numérico el pseudocódigo es una descripción informal de alto nivel de un algoritmo informático de programación, compacto e informal, que utiliza las convenciones estructurales de un lenguaje de programación verdadero, pero que está diseñado para la lectura humana en lugar de la lectura mediante máquina, y con independencia de cualquier otro lenguaje de programación. Pulverizar: Esparcir un líquido sobre un lugar en forma de gotas muy pequeñas. R Radiación: El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. Radicular: En Botánica, se denomina sistema radical o sistema radicular al conjunto de raíces de una misma planta. Recíproca: Regadío: La agricultura de regadío consiste en el suministro de importantes cantidades de agua a los cultivos a través de diversos métodos artificiales de riego. Reset: Se conoce como reset a la puesta en condiciones iníciales de un sistema. S Software: Software se refiere a los programas y datos almacenados en un ordenador. Subrutinas: Las subrutinas facilitan la estructuración del programa. 65 T Timers: Los Timers son módulos que trabajan en paralelo con el procesador, permitiendo que las operaciones de temporización y conteo se puedan llevar a cabo de manera eficiente, mientras el procesador se ocupa de otras tareas. Topografías: Es la ciencia que estudia el conjunto de principios y procedimientos que tienen por objeto la representación gráfica de la superficie de la Tierra, con sus formas y detalles; tanto naturales como artificiales. Trueque: Es el intercambio de objetos o servicios por otros objetos o servicios y se diferencia de la compraventa habitual en que no intermedia el dinero. Transductores: Es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida. Turbina: Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbo máquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido. 66 ANEXO A CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DE LOS MODELOS PIC16X8X DE LA GAMA MEDIA 67 ANEXO B CARACTERÍSTICAS MÁS DESTACADAS DE LOS MODELOS PIC17CXXX DE LA GAMA ALTA. Modelo Memori a program ada Registro s específi cos Memori a datos RAM Temporiz adores CA P PW M CAD 30 bit Inter rupci ones E/S Patitas PIC17C4A PIC17C43 PIC17C44 PIC17C72 PIC17C76 2Xx16 4 Xx16 16 Xx16 8 Xx16 16 Xx16 252 454 454 454 952 48 48 48 76 76 4 + WDT 4 + WDT 4 + WDT 4 + WDT 4 + WDT 2 2 2 4 4 2 2 2 3 3 12 12 11 11 12 18 18 33 33 33 50 53 4X44 4X44 43X44 64X44 64X44 68 ANEXO C TABLA DE DIMENSIONES DE LA TUBERÍA 69 ANEXO D CÓDIGO DEL PROGRAMA PARA EL SISTEMA DE RIEGO 70 71 72 ANEXO E OPTOACOPLADOR La terminal uno del optoacoplador va conectado a tierral la terminal dos va al relevador. La terminal tres va conectado a la señal del PIC y la terminal cuatro va a tierra. 73
Report "Presentacion en Forma Oral y Escrita Del Protocolo de Investigacion"