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Control de Bomba de Pozo.

TITULACIÓN: E.T.I.E.I.

AUTOR: José Julián Fernández.

DIRECTOR: Xavier Maixé.

FECHA: Junio / 2007.

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1 Índice.

2. Memoria Descriptiva...................................................................................5

2.1. Objeto del Proyecto..............................................................................................5

2.2. Tipos de Bombas..................................................................................................6

2.2.1. Importancia del Nivel Mínimo......................................................................7

2.2.2. Grupos de Presión Constante.........................................................................8

2.2.3. Instalaciones con Bombas de Pozo Profundo................................................9

2.3. Electroválvulas.............................................................................................................. 9

2.4.Tipos de Arranque. ......................................................................................................10

2.5.Detección de Niveles. ...................................................................................................11

2.5.1 Justificación de Detección con Sondas...............................................................13

2.5.2 Alimentación de las Sondas.................................................................................13

2.5.3. Resistencia Entre las Sondas..............................................................................14

2.5.4. Capacitancia de las Sondas.................................................................................16

2.5.5. Sensibilidad del Sistema......................................................................................19

2.5.6 Determinación de Estado de un Recipiente.........................................................20

2.5.7. Funcionamiento del Control de Niveles para Llenado de Aljibe

Desde Pozo (Trasvase)............................................................................... 20

2.5.8 Explicación del Circuito Detector de Nivel.........................................................21

2.5.9 Diagrama de Bloques del Detector de Nivel........................................................22

2.6. Alimentación................................................................................................................27

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2.7. Microcontrolador........................................................................................................28

2.7.1. Intento Inicial con Integrador Clásico...............................................................28

2.7.2 Elección del PIC 16F876.....................................................................................31

2.7.3 módulos internos del 16F876 usados en el proyecto..........................................32

2.7.3.1. Módulo Timer 0. ........................................................................................33

2.7.3.2.Módulo Convertidor Analógico/Digital (A/D) ...........................................34

2.7.3.3.MODULO CCP CAPTURA / COMPARACIÓN / PWM...........................34

2.7.4 Uso de Microcontrolador en el Proyecto..............................................................36

2.8. Etapa de Potencia........................................................................................................37

3. Proceso de Diseño del Prototipo...............................................................38

4. Memoria de Cálculo..................................................................................39

4.1. Cálculos de Etapa de Potencia. ........................................................................39

4.2. Cálculos de Fuente de Alimentación. ..............................................................41

4.3. Cálculos de Detección de Nivel. .......................................................................43

5.Código Fuente. ...........................................................................................44

6. Planos..........................................................................................................57

6.1. Esquemáticos. ...................................................................................................57

6.1.1. Esquema de Fuente de Alimentación. .........................................................57

6.1.2. Esquema Detección de Nivel. ......................................................................58

6.1.3. Esquemático Microcontrolador....................................................................59

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6.1.4. Esquemático de Etapa de Potencia. .............................................................59

6.2. Diseño de Placas de Circuito Impreso.............................................................60

6.2.1. Placa de Circuito Impreso de la Fuente de Alimentación..........................60

6.2.2.Placa de Circuito Impreso de Detección de Nivel.........................................61

6.2.3.Placa de Circuito Impreso de Microcontrolador...........................................63

6.2.4 Placa de Circuito Impreso de de Etapa de Potencia. ...................................64

6.3. Prototipo Para demostración...........................................................................65

7.Presupuesto.................................................................................................66

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2 Memoria Descriptiva.

2.1 Objeto del Proyecto.

El objeto del presente proyecto “Control de una bomba de pozo” nace la de la experiencia laboral del alumno en el campo de instalación y mantenimiento de grupos de presión durante varios años.

Durante este tiempo he podido comprobar lo dificultoso que se hace para muchas personas el poder realizar la interconexión de los distintos elementos que componen el sistema eléctrico de control de una bomba; así como el alto coste que ésto representa.

De ello nace la idea del diseño de este producto, que simplifica y abarata de manera notable el sistema consiguiendo que cualquier persona pueda realizar su instalación sin tener graves problemas en lo referente a la compatibilidad de elementos tales como relés de detección de nivel, arrancadores suaves, presostatos, detectores de nivel de boya, programas de riego electrónicos, etc…

El objeto del presente proyecto es el de controlar el arranque y paro de una bomba sumergible instalada en un pozo que rellena un aljibe. A fin de efectuar un arranque menos agresivo sobre la bomba se puede arrancar de una manera lenta o en caso de ser necesario en alguna aplicación se puede arrancar de manera brusca.

El rellenado del aljibe se hace de manera automática en función de su estado; también se evita que la bomba trabaje en caso de que el pozo esté vacío a fin de evitar su deterioro. La detección de los niveles del pozo y del aljibe se realiza mediante sondas; debido a sus ventajas.

Se disponen de entradas para la activación de la bomba o por otros sistemas (programador de riego, interruptor manual, presostato etc...)

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Figura 1. Diagrama de bloques del proyecto.

2.2 Tipos de Bombas.

El tipo de bomba al que va dirigido el proyecto es de accionamiento eléctrico. Los motores pueden ser tanto monofásicos como trifásicos. Los motores monofásicos son los más representativos puesto que no se suelen requerir grandes potencias para el trasiego de agua en el sector doméstico o agrícola; es por ello por lo que el presente proyecto va destinado a este tipo de bombas.

Así mismo por el tipo de bomba pueden clasificarse en peristálticas, de pistón, engranajes, de membrana, y las usadas en el sector doméstico que son las centrífugas

En cuanto al tipo de instalación de la bomba pueden ser sumergibles si la bomba está dentro del recipiente o autoaspirantes; en caso de que la bomba esté fuera del depósito; independientemente de que la columna de agua esté por encima o por debajo de la bomba.

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Figura 2. Ejemplos de bombas autoaspirantes.

Las bombas sumergibles pueden ser del tipo de achique, que son empleadas para vaciar un depósito donde se requiere un caudal grande pero no hay necesidad de presión; y las bombas de pozo profundo que son las que se usan para abastecer de agua con cierta presión (entre 2 y 12 kg/cm2) para usos domésticos o agrícolas.

Figura 3. Bombas sumergibles para pozo. Figura 4. Bomba de achique en baño de

aceite (para desecación total).

2.2.1 Importancia del Nivel Mínimo.

El calor generado por el roce del rodete con la carcasa de la bomba se disipa con el fluido a trasegar; es por ello por lo que una bomba no puede funcionar de manera prolongada en vacío ya que al no circular líquido no se refrigera y por ello se dañará.

Las bombas autoaspirantes se refrigeran con el líquido que impulsan, mientras que las sumergibles lo hacen al estar sumergidas bajo el nivel del líquido.

De ahí viene la importancia de evitar que la bomba trabaje sin líquido; y la necesidad de controlar el nivel mínimo del pozo para asegurar el buen funcionamiento de la bomba.

Una excepción a ésto son las bombas de desecación total. Estas bombas son sumergibles y están pensadas para llegar a vaciar totalmente un recipiente; por ello en el momento del vaciado total dejan de estar cubiertas del líquido y podrían averiarse por no

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refrigerarse con el fluído a trasegar. Para evitar ésto este tipo de bombas están inmersas en un baño de aceite (en el interior de la carcasa) que las refrigera constantemente; con independencia del nivel del depósito.

2.2.2 Grupos de Presión Constante.

La manera de automatizar el arranque y el paro de una bomba en función de la presión de la red se realiza mediante la instalación de un grupo de presión.

Constan básicamente de una bomba que aspira agua de un depósito, de un presostato que abre o cierra unos contactos eléctricos en función de la presión de la impulsión (red) y de los valores a los que se ajusta; y de un acumulador de agua (o calderín) que contiene una vejiga elástica que mantiene cierto volumen de agua presionada.

Figura 5. Grupo de presión constante.

Cuando abrimos un grifo la presión desciende y el presostato hace arrancar la bomba. Una vez la presión ha subido el presostato desconecta la bomba.

Es importante efectuar un buen ajuste de la histéresis del presostato para evitar frecuentes arranques y paros de la bomba para evitar que sufra así como para evitar gasto de corriente eléctrica y fluctuaciones en la presión de la red de agua.

En general se suele evitar la instalación de una bomba de pozo para alimentar un grupo de presión; con objeto de evitar arrancarla y pararla constantemente ya que tal y como explicará más adelante esto es especialmente perjudicial para bombas de pozo.

2.2.3 Instalaciones con Bombas de Pozo Profundo.

Estas bombas se instalan en los pozos de agua con el fin de captar el agua de las corrientes freáticas; dependiendo del lugar donde se instalen pueden estar instaladas a más de 250m de profundidad.

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Estas bombas están colgadas de la propia manguera de impulsión, que suele tener diámetros de entre 1” y hasta 12”. Para diámetros de hasta 2” se suele utilizar tubería de polietilieno o manguera fabricada de textil, siendo esta última mucho más costosa tanto por el precio de la manguera como por los accesorios de acoplamiento.

Para tamaños más grandes de bombas (superiores a 2”) la impulsión se realiza mediante una tubería bridada de acero galvanizado; por ello la bomba no se mueve tanto en las operaciones de arranque o paro. De esta manera el arranque suave se hace menos necesario en grandes potencias.

Figura 6. Instalación típica de bomba de pozo y sondas.

Como medida de seguridad la bomba se ata una cuerda de poliéster (a fin de prevenir su deterioro por estar inmersa en agua) con objeto de poder recuperar la bomba en caso de rotura de la manguera de impulsión. Esta cuerda debe estar tensa, pero la soportación de la manguera se efectúa sobre la tubería de impulsión.

Para la detección de los niveles se colocan tres sondas encintadas sobre la propia manguera de impulsión; con el fin de que los cables no entorpezcan la maniobra de introducir o sacar la bomba los cables también se encintan sobre la manguera.

Los cables de alimentación de la bomba deben ser de aislamiento de 1KV, debido a la necesidad de aislamiento dentro del agua. Las bombas suelen venir con 15m de cable por lo que suele ser necesario el hacer un empalme en este cable. Para realizar este empalme se debe hacer uso de un kit de empalme especial que permite su inmersión en agua.

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Figura 7. Empalme de cable eléctrico para inmersión.

Dado que la bomba de pozo está colgada de la manguera cada vez que arranca y para da un tirón; no sólo como consecuencia del posible golpe de ariete de la instalación sino también por no estar fijada en ningún punto. Este tirón hace que la bomba golpee contra las paredes del pozo en cada arranque o paro.

Además estas bombas deben suministrar la presión necesaria para la instalación (que suele ser de unos 3Kg/cm2) y la necesaria para elevar el agua hasta la superficie, lo que hace que se requieran mayores potencias.

También el coste de tanto de mantenimiento de las bombas de pozo es superior debido a la necesidad de sacar y meter la bomba en el pozo; y por requerirse realizar las reparariones por el servicio oficial de la marca por exigirse una estanqueidad perfecta cada vez que la bomba se repara.

Por ello se suele instalar una bomba de pozo que mantenga el nivel de un aljibe y un grupo de presión que suministre la presión a la instalación. Dado que el grupo de presión suele ser algo compacto no se trata en este proyecto.

Figura 8. Instalación típica de bombeo de agua desde pozo profundo.

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Así este proyecto contempla esta posibilidad, la de rellenar un aljibe controlado por un detector de nivel así como la de la protección de la bomba de pozo en caso de falta de nivel en el pozo. También se incluye la posibilidad de efectuar el arranque desde otros consumidores (programador de riego, manual, etc…) de la bomba del pozo tanto de manera progresiva, o inmediato en función de la necesidad, a efectos de aumentar su vida útil.

En el caso de desear llenar el aljibe, una piscina o de efectuar riego por goteo es posible usar un arranque progresivo porque la necesidad de presión no es inmediata.

Pero en el caso de que la bomba del pozo alimentara directamente a una instalación de riego por aspersión sí que se requiere una presión inmediata debido a que tan pronto se abre la electroválvula del sector de riego se debe asegurar una gran presión y caudal en el mismo instante; de lo contrario el haz de agua comenzaría a regar a poca distancia del aspersor y ésta iría aumentando progresivamente de distancia hasta llegar al punto nominal de trabajo de la bomba; encharcando el área cercana a los aspersores.

Otro caso en el que se puede requerir un arranque inmediato es en el que la bomba de pozo formara parte de un grupo de presión. En caso de tener un acumulador suficientemente grande podríamos efectuar un arranque suave; pero si el volumen que se acumula es poco será necesario el arrancar la bomba de manera rápida para mantener la presión de la red constante; aunque esta posibilidad tal y como se ha comentado antes no es la más adecuada se deja a elección del cliente.

2.3 Electroválvulas.

Dado que la bomba del pozo puede ser arrancada desde otros consumidores de agua (aunque en una buena instalación no es lo deseable como se ha explicado antes) se podría dar el caso de que la bomba arrancara a solicitud de un programador de riego; y como la impulsión de la bomba es la misma para llenar el aljibe y para el sistema de riego el agua solicitada para regar llenaría el aljibe hasta desbordarlo; puesto que el control de nivel del aljibe no actuaría al no haber accionado la bomba por petición del aljibe.

Para evitar esto se propone la instalación de una electroválvula que solo permite la entrada de agua al aljibe si éste está vacío. Obviamente el sistema de riego está controlado por unas electroválvulas que impedirían la llegada de agua a los aspersores en caso de que la línea de impulsión esté presionada por motivo del llenado del aljibe.

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Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula.

Existen varios tipos de electroválvulas. En algunas electroválvulas el solenoide actúa directamente sobre la válvula proporcionando toda le energía necesaria para su movimiento; pero lo más habitual es que el solenoide permita la entrada de la presión de entrada a la válvula a una menbrana y que ésta abra o cierre por la presencia o ausencia de esta presión. De esta manera el solenoide solo debe abrir u obturar un orificio de unos 2mm; por ello el mismo solenoide se puede usar con independencia del tamaño de la electroválvula.

De manera habitual el solenoide debe estar activado y consumiendo potencia mientras la válvula deba estar abierta.

Figura 9. Electroválvula típica riego.

Las electroválvulas que se usan en el sector de la jardinería suelen ser de medidas de entre ¾” y 1 ½”; siendo el solenoide el mismo para todas ellas, ya que el solenoide solo permite depresionar la cámara de entrada por un pequeño orificio, independientemente del diámetro nominal de la electroválvula.

El solenoide más habitual es de alimentación a 24Vac y de un consumo de 300mA.

2.4 Tipos de Arranque.

Este proyecto está destinado al control de una bomba de pozo profundo. Estas bombas no están soportadas a ningún elemento fijo, sino que simplemente están colgadas de la propia manguera de impulsión.

Las mangueras de impulsión son flexibles hasta un tamaño de 4”. Por ello y dado que las bombas pueden estar colgadas a una profundidad de más de 200m a la hora de conectarlas o desconectarlas pegan un golpe sobre la pared del tubo del pozo (los diámetros son solo de entre 200 y 500mm).

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Por ello, si la aplicación lo permite, es preferible arrancar la bomba de manera progresiva. De esta manera la bomba arranca y para de manera más suave evitando golpes en la bomba contra las paredes del tubo así como reduciendo las vibraciones y golpes de ariete en la manguera de impulsión que afectan al resto de instalación.

En alguna aplicación tal como el riego por aspersión no es posible el arranque suave de la bomba ya que si se hiciera de esta manera el aspersor comenzaría a regar con poca presión al inicio y por ello se encharcaría la zona cercana a él (ésto también sucede en arranques estrella-triángulo de bombas trifásicas).

Otra aplicación donde no es posible el uso de este tipo de arranque es en el supuesto de que la bomba de pozo alimente a un grupo de presión constante que tenga un bajo volumen de acumulación de agua; al bajar la presión de la red por debajo del límite se requiere suministro de presión de manera inmediata, lo cual no se consigue arrancando la bomba de manera lenta. En el caso de que el grupo de presión tuviera un elevado pulmón de agua se podría jugar con el ajuste de la presión para arrancar de manera lenta.

2.5 Detección de Niveles.

Esta parte es la encargada de determinar si el nivel del pozo permite el arranque de la bomba así como el estado del aljibe.

Para ello se disponen de cuatro ramas que detectan la resistencia entre sondas; si el valor de la resistencia es más alto de la consigna es porque el nivel no cubre la sonda, si por el contrario la resistencia es más baja que el nivel de umbral es porque el nivel cubre la sonda.

Estas cuatro ramas se conectan al microcontrolador que tiene implementado un algoritmo que determina, tanto con el estado de las sondas como con el estado anterior del recipiente el estado actual.

2.5.1 Justificación de Detección con Sondas.

La detección de niveles se puede lograr de varias maneras. Una de las maneras más difundidas es la instalación de un interruptor de nivel que pende del propio cable de los contactos. A poca distancia de mecanismo de conmutación se sitúa un peso que hace que con el nivel alto el interruptor flote y se cierren los contactos de alto nivel; al llegar a faltar nivel de líquido se produce otra conmutación y se cierran los contactos de bajo nivel.

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Figura 10. Interruptores de nivel tipo boya.

Este tipo de detectores u otros similares están descartados en la detección de nivel del agua en un pozo ya que para que este interruptor trabaje libremente es necesario el contar con un espacio adecuado para que éste trabaje o para instalarlo. En los sondeos se puede llegar a encontrar diámetros desde tan solo de 100 hasta 600mm, evidentemente con estas medidas el interruptor de nivel quedaría atascado con la manguera de impulsión y el cable de alimentación de la bomba.

Figura 11. Llenado de depósito desde pozo.

En el caso del aljibe sí que es posible la instalación de un interruptor de nivel de tipo boya, pero el ajuste de los niveles superior e inferior se hace un poco complejo puesto que se debe jugar con la posición del contrapeso del cable, y a veces no seremos capaces de conseguir los niveles deseados (o será muy dificultoso), sino que nos deberemos ajustar a los márgenes de los interruptores tal y como se ve en la figura 11.

Es por ello por lo que haremos uso de un sistema de detección por sondas. Estas sondas son unos electrodos que se sitúan en el recipiente con su extremo al nivel deseado del líquido a detectar.

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En la figura 12 se representa la instalación de estas sondas. Las sondas están fabricadas con un material conductor, habitualmente de inoxidable. Para su funcionamiento se precisa que el líquido a controlar sea conductor puesto que a través de las sondas y del líquido debe circular una corriente eléctrica hacia el circuito electrónico; por lo tanto este sistema de detección no funciona con líquidos aislantes.

Figura 12. Instalación de sondas en recipiente.

Este tipo de detectores se puede usar tanto para el vaciado de un pozo como para el llenado de un aljibe. El funcionamiento del circuito para el caso de un pozo es el siguiente:

Se instala una sonda en la parte inferior del pozo, ésta es la sonda común. Otra sonda indicará el nivel mínimo y por encima se coloca la sonda de nivel alto. En caso de que el nivel descienda por debajo de la sonda inferior en el pozo la bomba deberá pararse; y no podrá ponerse en funcionamiento hasta que el nivel de agua no supere la sonda superior.

La sonda superior puede situarse, en caso de un pozo, a un metro de la sonda de bajo nivel con el fin de garantizar una histéresis entre el paro y el arranque de la bomba.

Este sistema también puede usarse para el llenado de un aljibe, haciendo que la sonda de nivel bajo haga arrancar la bomba para llenar el aljibe y que ésta se pare al llegar el nivel a la sonda de nivel alto.

2.5.2 Alimentación de las Sondas.

El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión en el apartado 2 de la instrucción MIEBT021 sobre contactos indirectos indica que los sistemas alimentados con una tensión de hasta 24V no es necesario instalar sistema de protección contra contactos indirectos.

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Si la alimentación de las sondas fuera de corriente continua se daría lugar al efecto de electrolisis, lo que haría que se depositaran sales (calcarización) entre ellas. Esto dificultaría la detección del nivel provocando averías.

Es por ello por lo que la alimentación de las sondas se hará mediante 24V de corriente alterna tomados del secundario del transformador de la fuente de alimentación.

2.5.3 Resistencia Entre las Sondas

En caso de que ambas sondas estén por debajo del nivel la resistencia entre ellas dependerá de la resistividad del líquido y de la distancia entre electrodos; así como por la resistencia del cable que conecta las sondas.

La resistencia de los cables es despreciable, para justificarlo supondremos que se las sondas se sitúan a 1Km del circuito, y se usa cable de cobre de 1mm2

Ω=+Ω

== 351

10001000*01754.0* 2

2

mmmm

mmm

sl

R ρ (1)

Se debe tener en cuenta que las sondas se conectan a dos cables y por ello de la longitud del cable es el doble.

Como hemos visto tenemos una resistencia de 35? , lo cual es despreciable comparado con los valores de resistencia de los líquidos que se muestran en la tabla de resistencias de líquidos; tengamos en cuenta que los detectores comerciales varían su valor umbral entre los 10K? y los 200K? .

En caso de que el nivel del pozo no llegue cubrir a la sonda superior el valor de la resistencia entre ellas sería teóricamente de infinito; pero en la práctica es muy posible que este valor no sea infinito debido a la humedad del propio pozo.

En el caso de que la sonda esté cubierta de líquido el valor de la resistencia dependerá de la separación entre ellas, de la superficie de contacto de la sonda con el líquido a medir y de la propia resistividad del líquido.

Si se desea tener una idea inicial de la resistencia que puede haber entre dos sondas no podremos hacer uso de un óhmetro puesto que la conducción es iónica; pero

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podemos tener una idea aproximada realizando unos cálculos tomando los valores de la tabla 1.

Si la instalación tiene 1m entre sondas, las sondas usadas son cilíndricas y con una longitud de 100mm y un diámetro de 10mm (superficie de 10cm2) y en la que quiere controlarse agua potable (con 5K? /cm según la tabla 1.) la resistencia entre sondas sería de:

Ω= 2**

__sup__tan

*__Recmcm

cmcontactodeerficie

sondasentreciadisfluidodelsistividadR (2)

Ω=

Ω= K

cmcm

cmR 50**10

100*50002

El caso de que la sonda esté cubierta por el líquido se puede considerar una resitencia entre sondas de 5KO.

En la tabla se muestran valores de resistividad (en ? /cm.) de ciertos líquidos a fin de poder analizar el valor límite de detección.

Líquido y Concentración Resistividad (? )

Acetato Sódico 15-18

Acido Acético 600- 1K3

Ácido Clorhídrico 5-40% 1-5

Acido Nítrico 5-60% 1-5

Ácido Sulfúrico 5-50% 1-10

Agua Destilada 20k-200k

Aguas Potables 2k-20k

Carbonato Potásico 5-40% 2-10

Carbonato Sódico 5-415% 10-20

Nitrato Amónico 3-20

Nitrato de Magnesio 10-17% 10-12

Nitrato de Plata 10-60% 5-20

Nitrato Potásico 10% 5-12

Sulfato de Cobre 2-17% 20-100

Sulfato Potásico 10% 12

Tabla 1. Resistividad de algunos fluídos.

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2.5.4 Capacitancia de las Sondas.

En algunas aplicaciones el tendido de los cables puede ser muy largo, lo que al ser alimentado con corriente alterna puede originar que entre cada par de cables exista una capacidad parásita.

Figura 13. Capacidad en tendido de cables.

Esta capacidad origina una corriente de fuga entre las sondas aun cuando ésas no están cubiertas por el nivel.

El problema de las capacidades parásitas puede solucionarse mediante el uso de cables unipolares en lugar de una manguera tripolar ya que aumentamos el aislamiento entre los conductores, incrementando de esta manera el aislamiento entre los conductores y por ello disminuyendo la capacidad parásita. De cualquier manera las aplicaciones habituales no suelen requerir más de 20 ó 25m de tendido de cable, lo que no suele ser problemático.

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2.5.5 Sensibilidad del Sistema.

La sensibilidad depende varios factores, el más importante es el de la resistencia del fluido entre sondas; también afectan la resistencia de los cables de conexión, y la capacidad parásita del cable.

También un pozo estrecho y húmedo puede requerir el ajuste de la sensibilidad debido a la menor resistencia de la atmósfera húmeda.

En general para líquidos poco conductores (resistencia elevada) se deberá poner el ajuste más alto que para líquidos más conductores (resistencia baja).

El sistema lleva un ajuste con el cual se puede regular el margen de resistencia que se admite entre sondas. Aunque es fácil imaginar que tanto el depósito como el aljibe contienen el mismo fluido se ha preferido colocar un sistemas de ajuste para cada recipiente ya que en algunas aplicaciones es posible que el aljibe contenga el agua tratada (abonos, pesticidas, cloro, medicamentos para animales etc…) y por ello la resistencia pueda variar de un recipiente a otro.

En caso de trabajar con líquidos de gran resistividad podemos variar el montaje instalando una segunda sonda “común” tal y como se muestra en la figura 14, de tal manera que la columna de líquido a medir sea de unos centímetros con independencia de la distancia entre niveles. En caso de usar un pozo entubado con un tubo de acero al carbono es posible unir este encamisado con la sonda común, que a efectos prácticos es lo mismo.

Figura 14. Conexión sondas en líquidos de elevada resistencia.

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Esta solución es más sencilla que otras, como por ejemplo el uso de sondas con una mayor superficie de contacto, ya que no se requiere el uso de sondas especiales.

2.5.6 Determinación de Estado de un Recipiente.

En la instalación ideada existen dos recipientes, el pozo que puede secarse o disminuir su nivel por debajo del nivel de la aspiración de la bomba del pozo del que mana el agua y el aljibe que se deberá mantener con un nivel entre el bajo y el alto.

Para determinar si uno de estos dos recipientes está lleno o está vacío no solo se mira el nivel instantáneo; si no que también se tiene que ver el estado anterior.

Así pues en caso de que el nivel descienda por debajo de la sonda de mínimo, se determina que está vacío hasta que el nivel supera la sonda de nivel alto. Esto se hace de esta forma para tener cierta histéresis entre un estado y otro; de manera que si se determina que el pozo está vacío no se permita el arranque de la bomba hasta tener un cierto volumen de agua que se pueda impulsar.

2.5.7 Funcionamiento del Control de Niveles para Llenado de Aljibe Desde Pozo (Trasvase).

Se explica este supuesto ya que en él se usa el detector de nivel para las dos posibles aplicaciones, control de pozo y control de depósito.

Al detectar falta de nivel bajo en el depósito se arrancará la bomba para sacar agua del pozo y llenar el aljibe hasta que el nivel de éste llegue al máximo.

En el caso de que el pozo llegara a descender de nivel la bomba se parará para evitar el trabajo en seco y se pondrá en marcha al llegar al nivel superior del pozo; obligatoriamente el paro de la bomba por nivel bajo del pozo es prioritario ante cualquier petición de arranque de la bomba.

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Figura 15. Diagrama detección niveles con pozo y aljibe.

2.5.8 Explicación del Circuito Detector de Nivel.

Existen cuatro sondas a controlas que son los niveles alto y bajo tanto del aljibe como del pozo; por ello existen cuatro ramas exactamente iguales. En estas ramas se determina si la resistencia entre sondas es menor a la del valor ajustado como referencia (sensibilidad). En caso de que una de estas ramas detecte una resistencia menor quiere decir que el nivel del líquido cubre la sonda.

Estas cuatro ramas están conectadas directamente al microcontrolador, que tiene que evaluar tanto el estado de las sondas como el estado anterior del recipiente para determinar si está vacío o está lleno; tal y como se muestra en el diagrama de la máquina sencilla de la figura 16.

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Figura 16. Diagrama máquina sencilla.

2.5.9 Diagrama de Bloques del Detector de Nivel.

A continuación representamos el diagrama de bloques del circuito detector de nivel que forma parte del proyecto.

Figura 17. Diagrama de bloques del detector de nivel.

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A continuación se presenta una de las ramas de detección de nivel. Esta rama es la misma para la detección del nivel alto o el bajo así como para de pozo o aljibe; por ello solo se explicará el funcionamiento de una aunque en el proyecto se deben usar cuatro, una para cada sonda.

Las sondas están situadas en los extremos de la RP (Resistencia de Pozo) y para simular el funcionamiento se ha colocado dicha resistencia simulando la resistencia detectada por las sondas. Esta resistencia debe estar entre 0-200K? en el caso de detectar nivel.

Las sondas se alimentan con una tensión de 24VAC que se toma del secundario del transformador a fin de alimentar con baja tensión; el uso de corriente alterna es necesario a fin de prevenir el efecto de electrolisis que haría que se ensuciaran las sondas al depositarse sales sobre las sondas.

Así pues hay un divisor de tensión formado por R2 y la resistencia entre sondas (la del producto a medir); la tensión que hay entre sondas se introduce a un amplificador de instrumentación de ganancia 1 formado por U7A, lo que evita problemas de acoplamiento de impedancias y evita problemas de masas. La tensión de salida de dicho amplificador de instrumentación se introduce a un rectificador.

Este rectificador está configurado como rectificador de precisión puesto que la tensión de salida no se ve afectada por la caída de tensión de umbral del diodo, con el fin de tener una tensión lo más precisa posible, debido a que trabajamos con márgenes de tensión en los que una diferencia de 0,7V son importantes.

+12V

+12V

+12V

+12V

R89680

R3

680K

V1

D6

1 2RP

10K

R5

680K

C10

1nU7B5

6

411

7

+

-

V+

V-

OUT

R9

680K

R111100k

R2

560K

C11122u

R112

R6

680K

R1101k

U7C

10

9

411

8

+

-

V+

V-

OUT

R892K2

U7A

3

2

411

1

+

-

V+

V-

OUT

Figura 18. Rama de detección de nivel.

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De todas maneras este rectificador más que rectificar la señal de entrada lo usamos para poder trabajar con el filtro RC formado por C11 y R111; ya que el motivo principal del rectificador de precisión es que si no se colocara un diodo la tensión de salida del U7A forzaría tanto la carga del C11 (que es lo que deseamos) como su descarga; por ello no evitaríamos el rizado de la tensión; ya que el diodo conduce en caso de que la tensión del C11 sea menor que la de salida del U7A, pero se queda en estado abierto en caso de que sea mayor, por ello el rectificador facilita la carga del filtro pero impide su descarga cada vez que la señal alterna comienza a disminuir su valor instantáneo.

Este filtro también nos evita el rizado de la señal a fin de tener una continua totalmente estable; además como el C11 es de un tamaño considerable respecto al consumo del U7C éste tardaría mucho tiempo en descargarse una vez se haya cargado. Esto hubiera producido que al detectar nivel no reaccionara por no descargarse el C11. Así pues la resistencia R111 hace que el C11 se descargue poco a poco; ralentizando los cambios bruscos de señal. Esto será de utilidad en caso de que las sondas estén detectando falta de nivel y una ola las moje durante un breve período de tiempo. El condensador C11 tardará un tiempo en descargarse y por ello estabiliza el comportamiento del circuito. De manera práctica se ha determinado que para una resistencia de 39K proporciona un retardo de 3 segundos, lo cual es un valor idóneo.

Así pues a la salida del filtro formado por R111 y C11 tenemos una señal continua perfectamente estabilizada en función de la resistencia entre sondas.

En las simulaciones realizadas la tensión varía entre los 0.7V y los 9.8V en función de que la resistencia entre sondas fuera de 10K? o 200K? (valores que se han fijado como límites máximos de operación).

Esta tensión se compara con la de referencia formada por el divisor de tensión del potenciómetro. De esta manera con el potenciómetro al mínimo la resistencia de disparo del circuito es de 10K? que es el límite inferior de sensibilidad o bien de 200K? que corresponde al límite superior.

La tensión en la entrada del comparador puede definirse como

2*24*680

VKRsonda

RsondaVcomp

Ω+=

Así pues con los márgenes de 10k? y 200k ? . La tensión variará entre 0.6 y 8V

Dependiendo del ajuste de la sensibilidad necesaria el valor de la tensión de set point deberá variar entre los 0.6 y los 8V. Es por ello por lo que la tensión del divisor de debe oscilar entre los 0,6 y 8V. Usando un potenciómetro de 50K? .

25

El circuito consta de cuatro ramas, dos para las sondas del pozo y dos para las sondas del aljibe. Para poder ajustar la sensibilidad de cada uno de ellos se han colocado dos tensiones de referencia, por si el agua del aljibe contuviera algún tipo de aditivo (abono, medicamento, fertilizante….) que variara su resistencia.

Así pues se dispone de un ajuste de sensibilidad independiente para el caso del pozo o del aljibe.

Mediante el programa de simulación de Orcad se ha simulado el comportamiento de una rama de detección (suficiente para comprobar el funcionamiento del sistema). En color Azul se muestra la señal entre sondas (común y otra de nivel); en color rojo se muestra la salida del amplificador de instrumentación; que es la misma que la de entrada por tener ganancia unitaria, pero se elimina el semiciclo negativo por tener alimentación simple.

La señal en el filtro se muestra de color amarillo. Esta señal es la importante, puesto que es la que se compara con el valor del set point. Por simplificar las gráficas y evitar problemas de escala, no está representadas las salidas del comparador.

Se han realizado tres pruebas, una a cada límite de escala de sensibilidad del circuito (10 y 200K? ) y otra a mitad de escala, a 100K? , de las que se adjunta las gráficas.

Como se puede ver a mayor valor de resistencia mayor es la salida de tensión en el filtro.

Se adjunta varias gráficas en las que se ha variado la resistencia entre sondas desde el mínimo de la escala hasta el máximo.

Time

0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 350ms 400ms 450ms 500msV(R6:1) V(R2:1,R3:2) V(R111:2)

-800mV

-400mV

0V

400mV

800mV

Figura 19. Gráficas para 10K? , límite inferior de sensibilidad.

26

Time

0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 350ms 400ms 450ms 500msV(R6:1) V(R2:1,R3:2) V(R111:2)

-8.0V

-4.0V

0V

4.0V

8.0V

Figura 20. Caso de haber una resistencia entre sondas de 100K? (mitad de escala).

Time

0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 350ms 400ms 450ms 500msV(R6:1) V(R2:1,R3:2) V(R111:2)

-20V

-10V

0V

10V

Figura 21. Resistencia entre sondas es de 200K? , que corresponde al fondo de la escala.

27

2.6 Alimentación.

La fuente de alimentación suministra dos niveles de tensión contínua distintos; puesto que para el sistema de detección de nivel se requiere trabajar con una tensión de 12V mientras que el sistema del microcontrolador trabaja a una tensión de 5V.

El transformador empleado es de 220V/24V de una potencia mínima de 10W para el para el suministro de energía a la parte electrónica y que además sea capaz de alimentar a una electrovávula de 4W que es el consumo normal de una electroválvula de 24Vac. Por ello el trafo deberá ser de un mínimo de 15W.

La tensión de 24Vac se rectifica mediante un puente de diodos integrado y se filtra mediante un condensador electrolítico de 470uF, en paralelo a éste existen otros de poliéster que filtran el ruido que pueda entrar a la alimentación.

+12V

0

24VAC124VAC2

+5V

0

+5V

24VAC124VAC2

+12V

0

0

24VAC1

24VAC2

U6LM7805C

1 3

2

IN OUT

GN

D

C37

1n

C13

1n

C12470U

- +

PR1

1

4

3

2

U1LM7812C

1 3

2

IN OUT

GN

D

C14100n

D10

LED

R70680

D9

LED

24VAC

12

R712K2

C15100n

24V

12

5V

12

12V

12

Figura 22. Fuente de alimentación.

A esta salida filtrada se conectan dos reguladores de tensión 7805 y 7812 capaces de estabilizar el nivel de tensión de forma sencilla y con una corriente de salida máxima de 1A para cada salida. Estas salidas están filtradas de nuevo mediante el uso de dos condensadores de poliéster.

El estado activo de las dos tensiones se indica mediante un led de color rojo. He preferido colocar un led para alimentación, puesto como es lógico con el fallo de cualquier alimentación el sistema deja de funcionar.

28

2.7 Microcontrolador.

El micro es el corazón del sistema; a él llegan las salidas de los detectores de nivel que indican si los niveles cubren o no cada una de las sondas. También le llegan las entradas exteriores de ENTRADA LENTA y ENTRADA RÁPIDA, que podrán ser gobernadas por un interruptor, el presostato de un grupo de presión, o el programador de riego que activa la bomba para dar comienzo al ciclo de riego.

La salida para la conexión de la bomba o de la electroválvula atacan a la etapa de potencia que está optoacoplada, a fin de aislar las masas.

Mediante el uso del puerto analógico se usan dos potenciómetros (R1 y R2) para determinar las aceleraciones de arranque y de paro de la bomba en caso de que el arranque solicitado sea el lento.

Mediante dos leds bicolores se puede visualizar el estado del nivel de los recipientes un color rojo indica que el nivel está por debajo de la sonda de nivel bajo, un color ámbar que el recipiente está vacío, pero que el nivel está por encima de la sonda de nivel bajo, es decir que el nivel se está recuperando.

Tan pronto el nivel cubra la sonda de nivel alto (es decir que se ha llenado) el color del led cambiará a verde.

2.7.1 Intento Inicial con Integrador Clásico.

Para la generación de la rampa de aceleración o deceleración se había de manera inicial en realizar una rampa que tenga un tiempo de subida para la aceleración y un tiempo de bajada del tiempo que queremos de frenado. Esta rampa se compara con una onda senoidal de manera que los pulsos resultantes fueran incrementando o decrementando de amplit ud.

29

Figura 23. Generación rampa PWM.

Para generar la rampa se hacía uso de un integrador típico mediante un Amplificador, pero al requerir un tiempo de rampa de entre 5 y 12 segundos se requería unos valores de resistencia y condensador excesivamente grandes que hacían pensar que esta solución no era la más apropiada.

Para poder simular el circuito se han colocado una serie de componentes adicionales. Para ello se ha usado el U3A con objeto de obtener una señal cuadrada a partir de una senoidal; que emula la señal de entrada de conexión y desconexión de la bomba. De esta manera podemos obtener una señal que constantemente hace acelerar y frenar la bomba.

De esta manera a la salida de la etapa formada por los transistores Q14 y Q15 tengo una señal simétrica de ±15V en función de si quiero frenar o arrancar la bomba. La salida del integrador ataca a un optoacoplador, que en caso de que la señal del pozo fuera de 15V (pozo vacío) impediría el arranque del la bomba.

Existe una entrada a través del D12 que permite un arranque rápido de la bomba en caso necesario.

30

Figura 24. Generador de rampa con integrador clásico.

Se adjuntan las gráficas obtenidas de la simulación; posteriormente a esta señal se debería comparar con una onda senoidal para obtener pulsos variables en función de la maniobra deseada.

Figura 25. Señales de rampa integrador clásico.

Tal y como se ha explicado anteriormente este sistema se ha desechado por requerir componentes excesivamente grandes, así como por lo problemas que podrían conllevar las tolerancias y la falta de precisión en los tiempos genenerados.

31

Por ello y porque además permite implementar otras funciones, y existe una gran flexibilidad a la hora de realizar modificaciones se ha optado por el uso de un microcontrolador.

2.7.2 Elección del PIC 16F876.

Para la generación de la rampa de arranque y de frenado se ha optado por el uso de PIC, que permiten elaborar un programa en código C que luego será grabado en un microcontrolador. Concretamente se ha elegido hacer uso de la familia 16F8XX de la cual se enumeran las principales características:

• Memoria Flash que permite su programación fácilmente.

• Juego de solo 35 instrucciones con 14 bits de longitud. Todas ellas se ejecutan en un ciclo de instrucción, menos las de salto que tardan dos.

• Hasta 368 Bytes de memoria de Datos RAM.

• Hasta 256 Bytes de memoria de Datos EEPROM.

• Hasta 14 fuentes de interrupción internas y externas.

• Programación serie en circuito con dos pines, solo necesita 5V para

programarlo en este modo.

• Voltaje de alimentación de 5 V.

• Bajo consumo: < 2 mA valor para 5 V.

• Posibilidad de programación con código C.

• Bajo coste y fácil de encontrar en el mercado

• Grabación sencilla, con posibilidad de grabar en la propia placa de circuito impreso final (grabación en línea).

• Sencillez de uso al programar en código C.

• Gran cantidad de documentación difundida en Internet.

• Coste bajo y encontrarlo fácilmente.

• Posibilidad de uso de módulos PWM (no se hace uso en el proyecto por ser la frecuencia más baja de 120Hz).

• Posibilidad de uso de convertidor A/D.

• Facilidad a la hora de usar temporizadores e interrupciones

• Grabadores de bajo coste.

32

• Software de programación, simulación y grabación con versiones libres.

El encapsulado para el 16F1876 es el típico dip de 28 patillas

Figura 26. Patillaje del PIC16F876.

Existe dentro de la familia una versión con 40 patillas, los modelos de 40 pines disponen de 5 Puertos de Entrada / Salida: A, B, C, D y E, mientras que los de 28 solo tienen 3 Puertos: A, B y C.

Los modelos de 40 pines tienen 8 canales de entrada al Conversor A/D, mientras que los de 28 solo tienen 5 canales.

Para nuestra aplicación es más que suficiente con contar con tres puertos de E/S, y solo usaremos un canal de conversión A/D por lo que usaremos el 16F876.

2.7.3 Módulos internos del 16F876 usados en el proyecto.

De los diversos módulos que incorpora el 16F876 se pueden destacar por su importancia en la ejecución del proyecto los siguientes.

• Módulo Convertidor Analógico/Digital (A/D) • Módulo CCP (Se explica aunque no es posible usarlo en el proyecto.)

33

Para la determinación del tiempo de arranque y de frenada se han usado dos potenciómetros que hacen que se pueda establecer un tiempo de aceleración y otro tiempo de frenado para la bomba de manera independientes, es aquí donde interviene el módulo A/D, ya que la señal del consigna es una tensión de 0 a 5V.

Para generar la señal cuadrada PWM no se hace uso del módulo CCP1, con el que fácilmente se puede establecer una frecuencia de trabajo un duty cicle de la señal; debido a que la frecuencia más baja de la señal PWM con el cristal más lento (1MHz) es de 30Hz; con esta frecuencia es imposible modular la red de 50Hz. Por ello haremos la señal PWM con retardos de tiempo.

A continuación se explica un poco sobre el funcionamiento de cada uno de ellos, sin llegar a profundizar puesto que a la hora de programar no es necesario conocer el funcionamiento preciso de cada uno de los bits de control de cada registro

Módulo Convertidor Analógico/Digital (A/D)

El módulo de conversión Analógico/Digital dispone de cinco entradas para los

dispositivos de 28 pines; dado que existente cinco entradas y un único módulo A/D se debe hacer uso de un multiplexor que indique el canal con el que queremos trabajar.

Antes de trabajar con una entrada de tipo analógica deberemos definir el puerto o la entrada como analógica.

A través de la entrada analógica se aplica la señal analógica a un condensador de captura y retención (sample and hold) que después se introduce en el convertidor. El convertidor de aproximaciones sucesiva da como resultado una palabra de 10 bits.

El convertidor A/D puede seleccionar como tensión de referencia la interna VDD y masa o bien una externa, en nuestro caso el valor de la tensión es el de 5V, ya que la aceleración del motor deberá depender del valor de un potenciómetro que varía entre 0 y 5V.

Como trabajaremos con dos canales (uno para la aceleración y otro para deceleración), deberemos indicar siempre cual de ellos es el que tenemos intención de medir antes de capturar el valor.

34

MODULO CCP CAPTURA / COMPARACIÓN / PWM (Modulación de Ancho de Pulsos)

Los microcontroladores de la familia 16F87X disponen de dos módulos de

Captura / Comparación y PWM, cada modulo tiene un registro de 16 bits que

pueden trabajar como:

• Registro de captura de 16 bit

• Registro de comparación de 16 bits.

• Modulación de anchura de pulsos PWM

Estos módulos son los que se usan para la generación de la señal PWM, para ello se debe cargar el CCP1 con el valor del duty cicle, ya que el timer 1 es el encargado de mantener el pulso alto.

Por el contrario el timer 2 es el que se encarga de generar la frecuencia de la señal, por lo que se debe cargar con el período de la señal de salida.

En nuestro caso el valor de CCP2 (frecuencia de oscilación) será fijo para todo el tiempo, mientras que el valor cargado de CCP1 se irá cargando con mayor o menor tiempo cada vez en función de si queremos acelerar o frenar.

Los contadores se cargan con un valor entre 0 y 127, por ello para cargar un valor de duty cilcle del 100% se debe cargar el CCP1 con 128, mientras que en caso de requerir que la bomba se pare se debe cargar con un valor de 0.

Se ha fijado un tiempo máximo de aceleración o deceleración de 5 segundos, cada uno de los dos tiempos se puede modificar mediante el uso de unos potenciómetros que introducen un valor de tensión de entre 0 y 5V al puerto analógico del PIC.

El problema de este módulo es que está ideado para trabajar con una etapa de potencia de corriente contínua, por ello la frecuencia más baja de la señal PWM con un cristal de 4MHz es de 120Hz, si bajaramos la frecuencia del cristal a 1MHz podríamos trabajar con una señal PWM de 30Hz. Dado que se trata de una frecuencia similar a la de la red de 220V no se puede modular de manera eficaz.

35

Esto hace que no podamos usar el módulo CCP1 para este proyecto, y que nos veamos obliagados a trabajar con contadores para tiempo de alto y tiempo de bajo.

2.7.4 Uso de Microcontrolador en el Proyecto.

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V +5V

+5V

+5V

12

3

J6

PROGRAMACION

12345

J5

SALIDAS

123

R15

D6

LED

R21

220

R22

220

D5

LED

J2

ENTRADAS

123

R16

220

D3

LED

R6R7R8

R10

D2

LED

R9

R14

220

R12R13

R11

J1

NIVELES

12345

R21 3

2

R1

1 3

2

C42

33pF

C43

33pF

U5

PIC16F876

22

2324

2526

219 10

2

3

161718

208271 28 19

15

11121314

RB1

RB2RB3

RB4RB5

RB0O

SC

1

OS

C2

RA0

RA1

RC5RC6RC7

VD

DV

SS

PG

C

VP

PP

GD

VS

S

RC4

RCORC1RC2RC3

Y1

ZTB

J4

AMPLIACIONES

123

J3

ALIMENTACION

12

R17

220

D4

LED

C45100nF

C44100nF

C46100nF

VPP

PGD

VPP

PGC

BOMBA

ELECTROVALVULA

SEÑAL ALTO ALJIBE

EXPANSION2

ENTRADA LENTA

ENTRADA LENTA

SEÑAL BAJO ALJIBE

SEÑAL BAJO ALJIBE

EXPANSION1

ELECTROVALVULA

SEÑAL ALTO POZO

SEÑAL BAJO POZO

SEÑAL BAJO POZO

SEÑAL ALTO POZO

SEÑAL ALTO ALJIBE

BOMBA

ALJIBE LLENOPOZO VACIOPOZO LLENO

ALJIBE VACIO

ELECTROVALVULA

EXPANSION 2EXPANSION 1

ENTRADA LENTA

ENTRADA RAPIDA

ENTRADA RAPIDA

ENTRADA RAPIDA

SEÑAL BAJO POZOSEÑAL ALTO POZOSEÑAL BAJO ALJIBESEÑAL ALTO ALJIBE

BOMBAALJIBE VACIOALJIBE LLENO

POZO LLENO

POZO VACIO

EXPANSION 1EXPANSION 2

PGDPGC

Figura 27. Esquema del microcontrolador

Obviamente existe una salida de control hacia la placa de potencia para la conexión tanto de la electroválvula como de la bomba; así como se han previsto dos pines de acceso al PIC a fin de posibles modificaciones en un futuro; estos pines pueden ser posteriormente usados como entrada o como salida indistintamente.

La conexión o desconexión tanto de la bomba como de la electroválvula está indicada mediante dos leds.

Dado que el programador de Pics usado para la construcción del proyecto es del tipo ICP, es decir el PIC puede estar alojado en el zócalo de la PCB para ser programado; se ha dispuesto de un conector para conectar dicho programador.

36

Para seleccionar el modo de trabajo (Operación/Programación) hay un pequeño puente que permite el cambio de modo. Una actuación incorrecta sobre dicho puente no compromete la vida útil del PIC.

Todas las entradas son activas a nivel alto, por ello se ha dispuesto de una resistencia de pull-down de 10KΩ para que en caso de fallo de conexión se fuerce un nivel bajo en la entrada, a efecto de prevenir mal funcionamientos.

Para la generación de la forma de onda me he visto obligado a trabajar de manera digital, ya que como se ha explicado antes el uso de un integrador clásico con amplificadores operacionales ha sido totalmente imposible por los elevados valores de los componentes.

2.8 Etapa de Potencia.

La etapa de potencia del sistema conecta tanto la bomba a tensión de red, como la electroválvula de 24Vac en función de lo que el microcontrolador indique.

Para ello la entrada de la etapa de potencia es un optotriac MOC3040 que aísla las masas de los circuitos como es obligado en estos casos. El MOC3040 dispone de un detector de paso por cero que permite activar al triac solo en caso de que la señal de 220V pase por cero; de esta manera se minimiza el riesgo de emisión de EMIs así como se hace que los picos de corriente sean mínimos al conectar la carga puesto que la tensión en esta situación es de cero voltios.

Recordemos que el control para la aceleración o deceleración se hace mediante el sistema de conexión/desconexión de la carga durante unos semiciclos; por lo que es factible el uso de un sistema con detector de paso por cero. Esto sería imposible en caso de un sistema de control por ángulo de disparo.

Como protección para los picos de tensión de red se ha colocado un varistor que en caso de un pico de tensión disminuye su impedancia y hace que la tensión se estabilice.

También se ha dispuesto de una red RC en paralelo con el triac que limita el incremento de la tensión a la hora de controlar cargas inductivas.

En paralelo a la entrada de cada señal de disparo se ha colocado nuevamente otro condensador de poliéster a fin de filtrar la señal de entrada e impedir distorsiones hacia l el módulo del microcontrolador

37

0

0

0

RV2

RV1

CIRCUITCROSSZERO

U8 MOC30401

2

6

4

R42

BOMBA12

220V

CON2

12

C40

1n

R40

ELECTROVALVULA12

CIRCUITCROSSZERO

U9 MOC30401

2

6

4

R43

C41

1n

R45

J1

24VAC12

J2

SEÑALES

123

Q2TRIAC_1

Q1TRIAC_1

C43

C42

Figura 28. Etapa de potencia del sistema.

En este caso para el diseño de las pistas de la placa de circuito impreso se tiene que tener en cuenta dos cosas, por una lado la conveniencia de separar la parte de potencia de las entradas a la placa a fin de evitar que las cargas puedan inducir ruido sobre la entrada y que este ruido pudiera llegar a la zona del microcontrolador, lo que sería fatal. Por otro lado puesto que la corriente de alimentación de la bomba puede ser de hasta 10A el dimensionar adecuadamente el ancho de las pistas es fundamental.

El ancho de una pista de circuito impreso para un espesor de la placa de cobre de 35µm viene dada por la fórmula (3), por otro lado es necesario revisar que el conector empleado sea capaz de soportar perfectamente esta corriente.

10Im 3ax

Ancho = (3)

En el caso del sistema la corriente máxima que debe suministrar la etapa es de 10A, por ello el ancho mínimo de la pista será de 10mm.

3 Proceso de Diseño del Prototipo.

Inicialmente se ha diseñado la parte analógica consistente en las cuatro ramas de detección, la fuente de alimentación la etapa de potencia. Una vez tenida la idea

38

aproximada se ha simulado mediante el programa Orcad Capture versión 9 para comprobar el funcionamiento de los módulos de manera independiente.

Tras ello se ha elaborado el código en C del programa del PIC; este código se ha escrito y compilado usando el programa Pic C Compiler y se ha simulado haciendo uso de la herramienta ISIS del programa Proteus versión 6.

Una vez hecho todo esto se han diseñado las placas de circuito impreso que configuran el sistema. El montaje se ha preferido hacerlo de manera modular, para simplificar la ejecución del prototipo así como la comprobación de cada parte del sistema y facilitar las posibles modificaciones en un módulo.

Las placas de circuito impreso se han diseñado con la herramienta Layout del programa Orcad, debiendo diseñar algunos de los encapsulados de los componentes empleados.

Una vez obtenido el fotolito las placas de circuito impreso se han fabricado en los talleres del DEEEA

4 Memoria de Cálculo.

Se adjuntan los cálculos más relevantes de cada uno de los módulos del sistema.

4.1 Cálculos de Etapa de Potencia.

El cálculo más relevante en este módulo es del cálculo del disipador de los triacs; ya que el resto de componentes son los indicados por el fabricante.

Por el data sheet del BT139 sabemos que Rth j-c es de 1,2ºC/W. Además, su temperatura máxima de la unión, Tj, es de 125ºC. Este valor lo rebajaremos por seguridad hasta los 110ºC. Como la unión con el disipador será directa con silicona termoconductora supondremos Rth c-d de 1ºC/W. Con estos datos ya podemos calcular Rth rad.

Según las gráficas del fabricante el Triac de la bomba (Q1) a una corriente de 12A el triac disipará una potencia de 14W; fijamos la temperatura ambiente a 30ºC.

Establecemos un símil entre:

Rth →R

W →I

39

∆Tª →∆V

De esta manera podremos hacer uso de las fórmulas de la ley de Ohm, y el circuito se queda de la siguiente manera:

Rth m-rad Rth rad-ambRth j-m

Potencia Unión

Figura 29. Símil circuito eléctrico y térmico.

Siendo Rth j-m la resistencia térmica entre unión y encapsulado.

Rth j-m la resistencia térmica de la mica aislante con pasta conductora térmica y el disipador

Rth rad la resistencia térmica que presenta el disipador.

El total de la resistencia térmica entre el ambiente y la unión es:

Rth total =Rth j-m + Rth j-m + Rth rad (4)

De ahí obtenemos que:

Rth rad = Rth total – (Rth j-m + Rth j-m ) (5)

El incremento máximo de temperatura viene dado por la temperatura máxima de la unión y la del ambiente como

∆Tmax= Tjmax – Tª amb (6)

∆Tmax=110ºC - 30ºC= 80ºC

Usando el símil de la ley de Ohm podemos establecer que

Potencia unión= ∆Tmax / Rth totaL (7)

De ahí obtenemos

Rth total = 80ºC/14W= 5.72 ºC/W

40

Como antes se ha establecido en (5) Rth rad = Rth total – (Rth j-m + Rth j-m )

Rth rad =5.72 ºC/W -(1.2ºC/W +1ºC/W)

Rth rad ≤ 3.5ºC/W

Así pues para el disipador del Q1 (bomba) será necesario el usar un disipador con una resistencia térmica menor de 3.5ºC/W, en la figura 29 se muestra uno válido de 3ºC/W.

Figura 30: Disipador TO220 de 3ºC/W

Para el cálculo del Triac de la electroválvula seguiremos el mismo procedimiento que antes, por ello se hace ahora más abreviado. El consumo de la electroválvula es de 300mA, según las gráficas del datasheet del BT139 la disipación de potencia en la unión es de menos de 0.5W para una corriente de 0.3A. El valor de ∆Tmax sigue siendo de 80ºC (Tjmax – Tª amb)

Así pues seguimos los cálculos anteriores:

Según (7)

Rth total = 80ºC/0.5W= 160 ºC/W

Como en (5) se ha establecido Rth rad = Rth total – (Rth j-m + Rth j-m )

Rth rad =160 ºC/W -(1.2ºC/W +1ºC/W)

Rth rad ≤ 158ºC/W.

El datasheet del BT139 indica que la resistencia entre la unión y el ambiente Rth j-a

es de 60ºC/W, por ello presenta una resistencia menor a la requerida en este punto de trabajo y por ello el uso de disipador no es necesario.

4.2 Cálculos de Fuente de Alimentación.

La fuente de alimentación debe suministrar dos tensiones, una de 12V para los circuitos de detección de nivel y otra de 5V para la placa del microcontrolador. Para la alimentación de 12V se debe suministrar una corriente de 150mA, mientras que la de 5V, al tener mayor consumo por los leds se debe suministrar 400mA.

41

Con las gráficas del datasheet del LM7805 vemos que la Rth j-m es de 5ºC/W, que la temperatura máxima de la unión es de 125ºC aunque se rebaja hasta 110ºC como seguridad; y que para el cálculo de la potencia disipada se debe hacer

Potencia disipada = (Vi-Vo) * Io (8)

Como el transformador usado es de 12Vac la tensión rectificada y filtrada es cercana a los 20V, lo que es inferior al límite máximo establecido por el fabricante que se determina en 35V.

Así pues la potencia disipada en el LM7805 es según (8) de

Potencia disipada = (Vi-Vo) * Io =(20V-5V)*60mA= 0.9W.

El incremento máximo de temperatura viene dado por la temperatura máxima de la unión y la del ambiente como se ha visto en (6)

∆Tmax= Tjmax – Tª amb

∆Tmax=110ºC - 30ºC= 80ºC

Según el circuito de potencias y las relaciones con la ley de Ohm usadas en el punto 4.1 estableceremos con la ecuación vista en (8):

Potencia unión= ∆Tmax / Rth total

De ahí obtenemos

Rth total = 80ºC/0.9W= 88.9 ºC/W

Este valor es superior al de la Resistencia térmica entre unión y ambiente, que es de 65 ºC/W, por ello no hace falta la instalación de un disipador.

Para el cálculo del disipador del LM7812 usamos mismas fórmulas,

Así pues la potencia disipada en el LM7812 es de

Potencia disipada = (Vi-Vo) * Io =(20V-12V)*150mA= 1.2W.

El incremento máximo de temperatura viene dado por la temperatura máxima de la unión y la del ambiente como

∆Tmax= Tjmax – Tª amb

∆Tmax=110ºC - 30ºC= 80ºC

Según el circuito de potencias y las relaciones con la ley de Ohm usadas en el punto 4.1 estableceremos que:

Potencia unión= ∆Tmax / Rth total

De ahí obtenemos

Rth total = 80ºC/1.2W= 66 ºC/W

42

Este valor es cercano al de la Resistencia térmica entre unión y ambiente, que es de 65 ºC/W, por ello estamos en el límite de uso de un disipador; como la temperatura de unión máxima se había reducido en 10ºC no es necesario el uso de un disipador, pero para asegurarnos totalmente usaremos un disipador pequeño, de unos 25ºC/W.

Figura 31. Disipador de 25ºC/W.

4.3 Cálculos de Detección de Nivel.

El valor de la tensión que entra al comparador U4C/U4D que compara el nivel de la resistencia entre las sondas con el valor ajustado de sensibilidad debe ser de entre 2.4 y 9.6V en función de la sensibilidad ajustada.

Usaremos potenciómetros de 50K, por ello la corriente que circulará por P44 será de

AK

VVroPoteciómetValorMínimoValorMaximoValor

I µ14450

4.26.9_

__44 =

Ω−−

=

De esta manera obtenemos los valores para el divisor de tensión:

Ω=== KA

VI

mímimanTensióR 16

1444.2

44_´

49µ

Ω=−

=−

= KA

VVI

MaximoValorVccR 16

1446.912

44_

48µ

La potencia de ambas resistencias es de 1/4W.

R50 y R30 son para limitar la corriente por un diodo led; el led requiere una tensión de 1.5V y de 10mA por ello:

Ω=−

=−

= 120010

5.112mA

VVIled

VledVccR

mWmARIIVPotencia 75.81200*100** 2 ====

Por ello usaremos resistencias de 1K2? y 0.25W.

43

R72 y R73 conforman otro divisor de tensión que debe reducir el valor de la salida del comparador de 12 a 5V, ya que este es el valor de la tensión del micro.

Por ello, y fijando el valor de R73 como de 1K? , se obtiene

mAKV

RV

I 515

7373

73 =Ω

==

Ω==−

=−

= 5158

5512

7373

72 KmAV

mAIVVcc

R

5 Código Fuente.

El código está formado por dos archivos, uno contiene las definiciones y el otro el programa principal.

5.1 Archivo Defines.h

#define bajo_pozo input(PIN_C7) /*Determino las sondas del pozo

/*y del aljibe*/

#define alto_pozo input(PIN_C6)

#define bajo_aljibe input(PIN_C5)

#define alto_aljibe input(PIN_C4)

#define pin_entrada_rapida input(PIN_B2)

#define pin_entrada_lenta input(PIN_B3)

#define abre_valvula output_high(PIN_B5) /*Determino las salidas de

/*electrovalvula y bomba*/

#define cierra_valvula output_low(PIN_B5)

#define vacio 0

#define lleno 1

#define ARRANQUE 0

#define PARO 1

5.2 Archivo main.

En la cabecera del archivo se incluyen las librerías del pic, así como que se indica que se usa el puerto analógico con una resolución de 8 bits (valor de 00 para 0V y FF para 5V). También se incluyen los fuses que son las indicaciones sobre la palabra de configuración para el uso del programa de grabación.

44

Se fija una frecuencia de trabajo del oscilador de 4MHz

#include <16F876a.H>

#DEVICE ADC=8

#include "defines.h"

#use delay( clock = 4000000 ) /* Especifica reloj de 4 MHz */

#fuses XT,NOWDT,NOPUT,NOPROTECT,NODEBUG,NOBROWNOUT,NOLVP,NOCPD,NOWRT

char A;

int1 arrancando =0, parando=0;

int1 pozo, aljibe, trasvase, pidio_arranque_rapido,

pidio_arranque_lento, arranque_rapido, arranque_lento,

solicita_rapido,solicita_lento,entrada_lenta,

entrada_rapida;

int T=1; //periodo en decimas de segundos . fPWM= 1/(T1)

//Por ejemplo:

// FRECUENCIA PWM T1=1 Frecuencia= 1/(0,1segundos)= 10Hz//

// TIEMPO RAMPA: cada bucle 0,1 segundo. A minimo=2.

// DC LLEGARA DESDE O HASTA 100 INCREMENTANDO A (2)

// NUMERO BUCLES= DC MAX/ A MIN= 100/2= 50

// TIEMPO DE RAMPA MAXIMO= 50 BUCLES * 0.1 SEG= 5 SEGUNDOS.

// Experimentalmente se ha comprobado que es la frecuencia en la que

// el movimiento del voltímetro es más lineal. Con otros valores sube a golpes.

int T1; //tiempo a 1 de la señal PWM

int T0; //tiempo a 0

int DC;

//*******ARRANQUE RAPIDO

Si se solicita el arranque rápido de la bomba lo que se hace es poner al máximo valor el duty cicle de la señal PWM; además se ponen a cero los flags que indican que el proceso de arranque o paro se está ejecutando.

void arrancar_bomba()

45

Si se pide arrancar la bomba de manera rapida lo que hacemos es poner el DC a 100, y poner a cero los flags que indican que se está realizando una rampa o bien de aceleración o bien de frenado; por si la petición de arranque lento coincidiera con una rampa.

DC=100;

parando=0;

arrancando=0;

//********PARO RAPIDO

En caso de que se deba parar la bomba de manera rápida se hace lo mismo que en la rutina anterior, poner el duty cicle de la señal PWM al valor mínimo, y limpiar los flags.

void parar_bomba()

DC=0;

parando=0;

arrancando=0;

//********ARRANQUE LENTO

void arrancar_lento()

Si se solicita un arranque lento de la bomba se pone a uno el flag arrancando que indica que se está haciendo un arranque lento a fin de saber en cada momento si el duty cicle se debe incrementar o decrementar.

arrancando=1;

parando=0;

Se indica al módulo convertidor A/D que se debe capturar el valor del puerto donde se conecta el potenciómetro que indica la velocidad de arranque (recordar que el convertidor está multiplexado); y se introduce el valor del puerto en A.

set_ADC_channel(ARRANQUE);

A=read_ADC();

46

Para evitar realizar divisiones en cada arranque se ha confeccionado una tabla con varios escalones a fin de determinar un valor de A en función de la posición del potenciómetro.

Esta técnica aunque implica el suprimir resolución al ponteciómetro nos evita el realizar divisiones que son de larga duración. Dado que para el control de la bomba no va a ser necesario una gran precisión se ha optado por esta manera de determinar el valor de los incrementos del duty cicle.

if (a<26) A=2;

else if (A<52) A=12;

else if (A<77) A=24;

else if (A<103) A=36;

else if (A<128) A=48;

else if (A<154) A=60;

else if (A<180) A=72;

else if (A<205) A=82;

else if (A<230) A=94;

else A=100;

//********PARO LENTO

void parar_lento()

Esta rutina es igual a la de arrancar lento.

unsigned char valor;

arrancando=0;

parando=1;

set_ADC_channel(PARO);

A=read_ADC();

if (a<26) A=2;

else if (A<52) A=12;

else if (A<77) A=24;

else if (A<103) A=36;

else if (A<128) A=48;

else if (A<154) A=60;

else if (A<180) A=72;

else if (A<205) A=82;

else if (A<230) A=94;

else A=100;

47

void ini_analogico()

Mediante esta rutina se indica que los pines RA0, RA1 y RA3 se va a usar como entradas analógicas. Aunque solo vamos a necesitar dos pines analógicos el modo de configuración obliga a configurar un mínimo de tres pines.

setup_ADC (ADC_CLOCK_INTERNAL);

setup_adc_ports( RA0_RA1_RA3_ANALOG );

void led (char LED, char COLOR)

A esta rutina se la llama para hacer iluminar los leds bicolores que indican el estado del pozo y del aljibe. Obviamente el color verde indica lleno mientras que el rojo indica vacío.

#define LED_POZO 0

#define LED_ALJIBE 1

#define ROJO 0

#define VERDE 1

En caso de haber llamado a la rutina indicando que el led a iluminar es el del pozo se entra en esta rama; a fin de poner a uno o a cero el pin necesario en función del color requerido.

if (LED ==LED_POZO)

switch (COLOR)

case 0: //ROJO

output_high(PIN_C3);

output_low(PIN_B4);

break;

case 1: //VERDE

output_high(PIN_B4);

output_low(PIN_C3);

48

break;

Si el el led a controlar es el del aljibe entramos a esta rama.

if (LED ==LED_ALJIBE)

switch (COLOR)

case 0: //ROJO

output_high(PIN_C1);

output_low(PIN_C0);

break;

case 1: //VERDE

output_high(PIN_C0);

output_low(PIN_C1);

break;

void main( void )

Al inicio del programa se inicializan las variables, y se llama a la función que inicializa también el puerto analógico.

ini_analogico();

pozo=0; Indicamos que el pozo está vacío

aljibe=0; Indicamos que el aljibe está vacío

trasvase=0; Indicamos que no hay necesidad de rellenar el aljibe.

pidio_arranque_lento=0; Se indica que no hubo ninguna petición de...

pidio_arranque_rapido=0; ...arranque pendiente de parar

solicita_rapido=0; se ponen a cero las variables de petición de arranque

solicita_lento=0; que muestran el valor de las entradas.

parar_bomba(); Llamamos a parar bomba a fin de comenzar con la bomba parada

y con las condiciones de los flags como si hubiera parado.

49

DC=0; se pone a cero el valor del duty cicle.

while (1) Se realiza un bucle infinito para ejecutar constamente el main.

Al iniciar el bucle se realiza un control del estado de las entradas. Como estas entradas pueden estar sometidas a rebotes, es decir a cambios del estado lógico de los pines como consecuencia de un mal contacto en el momento de la conmutación.

Para ello lo que se hace es pasar los valores de las entradas que se manejan desde un interruptor a unas variables, efectuar un retardo de 10ms y se vuelven a comparar las entradas hasta que se son estables. De esta namera eliminamos los rebotes.

Figura 32. Señal con rebotes.

entrada_lenta= pin_entrada_lenta;

entrada_rapida= pin_entrada_rapida;

delay_ms(10);

while(entrada_lenta!=pin_entrada_lenta)||(entrada_rapida!=pin_entrad

_rapida)

entrada_lenta= pin_entrada_lenta;

entrada_rapida= pin_entrada_rapida; delay_ms(10);

50

/***************************************/

/*CONTROL DE NIVELES DEL POZO */

/***************************************/

Para determinar el estado de un recipiente, por ejemplo el pozo se debe ver si no se detecta la entrada de nivel bajo; si no hay nivel bajo y el pozo está lleno se debe cambiar el estado a vacío, y cambiar el color del led.

Pero si el pozo está vacío y se detecta que hay tanto nivel alto como bajo, se debe cambiar el estado a lleno, y actualizar el color del led. Este algoritmo es el mismo tanto para el pozo como para el aljibe.

if ((!bajo_pozo)&&(pozo==lleno))

pozo=vacio;

led(LED_POZO, ROJO);

else if (((bajo_pozo)&&(alto_pozo)) && (pozo==vacio))

pozo=lleno;

led(LED_POZO, VERDE);

/****************************************/

/*CONTROL DE NIVELES DE ALJIBE */

/****************************************/

Despues de determinar el estado del pozo se analiza el del aljibe de igual manera que antes.

if ((!bajo_aljibe)&&(aljibe==lleno))

aljibe=vacio;

led(LED_ALJIBE,ROJO);

if ((bajo_aljibe && alto_aljibe) && (aljibe==vacio))

aljibe=lleno;

led(LED_ALJIBE, VERDE);

51

/********************************************************/

/* CONTROL DEL TRASVASE Y CONTROL PARA ELECTROVALVULA */

/********************************************************/

Aquí se determina si es necesario el llenar el aljibe con agua del pozo. Obviamente para ello se debe cumplir que el pozo esté lleno y que el aljibe esté vacío. Independientemente de si la bomba esté ya arrancada o no por otros consumidores, será necesario el abrir la electroválvula para que el agua de la bomba llene el aljibe

if (!aljibe && pozo==1)

trasvase=1;

abre_valvula;

else

trasvase=0;

cierra_valvula;

El flag trasvase será usado como una condición de arranque lento posteriormente.

//**************************************************//

// CONTROL DE LAS PETICIONES DE ARRANQUE //

//**************************************************//

En esta rama se analizan las peticiones de arranque y se ve que tipos de arranque se piden. Obviamente el arranque prioritario será el de arranque rápido frente al de lento o al de trasvase.

En esta rama se usa una serie de flags:

o pidio_arranque_rapido. Este flag está a uno si en algún momento se ha hecho una petición de arrnque rápido y todavía no se ha solicitado que se pare. Se usará en el momento de parar la bomba para ver que tipos de arranque se han hecho y quedan activos y ver que tipo de paro se debe hacer.

o solicita_rapido. Este flag está a uno mientras hay una petición de entrada rápida activa.

o pidio_arranque_lento. Este flag está a uno si en algún momento se ha hecho una petición de arrnque lento bien por la entrada de arranque lento o bien por el flag de trasvase (rellenar el aljibe), y todavía no se ha solicitado que se pare. Se usará en el momento de paro para ver que tipos de paro están pendientes.

o solicita_lento. Este flag está a uno mientras hay una petición de entrada lenta activa. Así pues se puede poner a uno por activar el pin de entrada lenta o por estar la condición trasvase activa.

52

//condiciones para arranque rapido

Para realizar una conexión rápida se debe tener el pozo lleno (seguridad para la bomba) y la entrada rápida activa. Para evitar entradas innecesarias se incluye la condición que no se ha arrancado la bomba de manera rápida; a fin de que solo entre una vez en el if. Así pues solo se entra una vez y se pone activo el flag solicita_rapido y pidio_arranque_rapido.

if (entrada_rapida && pozo && !pidio_arranque_rapido)

solicita_rapido=1;

pidio_arranque_rapido=1; //las entradas piden arranque rapido

arrancar_bomba();

Si la entrada rapida no está activa el flag de solicita_rapido se resetea; también se incluye una condición para entrar una sola vez en el bucle.

if (!entrada_rapida)&&(solicita_rapido)

solicita_rapido=0;

//condiciones para arranque lento

En este if se establecen las condiciones para solicitar el arranque lento de la bomab. Para ello tiene que estar el pozo lleno, y activas o bien la entrada lenta o la condición de trasvase. Se incluye una condición de que no se haya pedido con anterioridad un arranque lento a fin de evitar entradas innecesarias en el bucle.

if ( ((trasvase|| entrada_lenta) && pozo) && !pidio_arranque_lento)

pidio_arranque_lento=1; //las entradas piden arraque lento

solicita_lento=1;

arrancar_lento();

Si las peticiones de entrada lenta desaparecen se resetea el flag de solicita_lento.

if (!entrada_lenta && !trasvase)

53

solicita_lento=0;

// SOLICITA_LENTO QUE ESTAN A UNO SOLO MIENTRAS LA ENTRADA ESTÉ A

// UNO EN CASO DE QUE SE DEJE DE SOLICITAR ENTRADA SOLICITA_LENTO SE

// PONE A CERO.

//

// PIDIO_LENTO SE PONE A UNO AL HACER UNA PETICION DE ARRANQUE (AUNQUE LA // BOMBA ESTÉ ARRANCADA); Y SE PONE A CERO CUANDO EL PARO SE HA HECHO; DE // ESTA MANERA EN EL MOMENTO DE PARAR SABREMOS QUE TIPO DE ARRANQUE SE // DEBE HACER.

////////////CONTROL PARA EL PARO DE LA BOMBA...///

Ahora entramos en el código que resetea los flags de pidio_arranque_rapido y pidio_arranque_lento. Estos flags se resetean si su petición de arranque (lento o rapido) ha desaparecido pero la bomba debe estar en funcionamiento porque la otra petición (lento o rápido) está activa.

Pongamos el caso de que la bomba arranca lento, por ello hace la rampa de aceleración. Una vez está en marcha se pide arranque rápido. La bomba ya está arrancada por ello no tiene que arrancar. Ahora estando las dos entradas activas se deja de pedir arrnque lento. Al estar aún activa la entrada de rápido la bomba no tiene que parar; pero como se ha dejado de pedir arranque lento el flag que nos indica que hay pendiente un paro lento tiene que ponerse a cero.

De esta manera el flag que indica que tipos de paro tenemos pendientes de hacer se pone a cero puesto que aunque la bomba no debe parar el paro ya no tendrá que hacerse después.

if (pidio_arranque_rapido && !solicita_rapido && solicita_lento)

//hubo petición de arranque rapido pero ya no, //pero no debe parar porque la lenta pide

pidio_arranque_rapido=0; //borro el flag de arrancada rapido si la

// entrada lenta es activa y la rapida no,

if (pidio_arranque_lento && !solicita_lento && solicita_rapido)

// solo esta activa entrada rapida

//y hubo petición lenta

54

pidio_arranque_lento=0; //borro el flag de arrancada rapido si

// la entrada rapida es activa y la lenta no,

Ahora llegamos al supuesto de que no hay ninguna petición de arrancar la bomba ni lento ni rápido. Se establece la condición de que tiene que estar activo algún flag de pidio_arranque_lento o rápido activo a fin de evitar entradas innecesarias.

if (!solicita_rapido && !solicita_lento) && (pidio_arranque_rapido || pidio_arranque_lento)

//Las peticiones se han anulado y la bomba aún no ha parado.

Ante el supuesto de que las dos dejaran de solicitar al mismo tiempo se establece la prioridad al paro rápido estando en primer lugar el if que nos lleva al paro rapido.

if (pidio_arranque_rapido) //si se pidio rapido pararé rapido.

pidio_arranque_rapido=0;

parar_bomba();

//LLAMO A PARO RAPIDO.

if (pidio_arranque_lento)

pidio_arranque_lento=0;

parar_lento(); //LLAMO A PARO LENTO.

//***PARO DE LA BOMBA POR FALLO DE POZO///

Una manera distinta de parar la bomba es por fallo de nivel del pozo. Es decir si el pozo se ha vaciado se tiene que parar la bomba para impedir su rotura.

if ( !pozo )

pidio_arranque_rapido=0;

pidio_arranque_lento=0;

parar_bomba();

55

Una vez llegados a este punto se genera la señal de PWM. Para ello se deben evaluar los flags arrancando (se está generando la rampa de arranque) y parando (si se está generando la rampa de parada).

if (arrancando)

Si se está haciendo la rampa de arrancada (el flag lo pone a uno la rutina de arranque lento), se entra en esta rama. Aquí el valor del DC se incrementa lo que se determina en la tabla de captura de valores del puerto analógico. Tras el incremento se hace una comprobación para ver si el valor es superior al máximo (100), a fin de determinar cuando se ha completado la rampa.

DC=DC+A;

if (DC>=100)

Una vez la rampa se ha completado arrancando=0;

DC=100;

// PARO LENTO

else if(parando)

DC=DC-A;

if (DC<0)

parando=0;

DC=0;

//PWM

Obtenemos los valores que la señal tiene que estar en alto (t1) o en bajo (t0), en función de los valores del periodo de la señal PWM.

T1=T*DC;

T0=(T*100-T1);

Si los valores son distintos de cero se hace un retardo del tiempo correspondiente. Así pues la frecuencia de la señal PWM corresponde a 2*T1. La generación de la onda se hace realizando retardos sobre el programa main; lo cual aunque ralentiza su ejecución no

56

tiene gran relevancia debido a la baja velocidad de respuesta requerida en el análisis de las entradas.

if (T1!=0) output_high(PIN_C2);

delay_ms(T1);

if (T1!=T*100) output_low(PIN_C2);

delay_ms(T0);

57

6 Planos.

6.1 Esquemáticos.

6.1.1 Esquema de Fuente de Alimentación.

+12V

0

24VAC124VAC2

+5V

0

+5V

24VAC124VAC2

+12V

0

0

24VAC1

24VAC2

U6LM7805C

1 3

2

IN OUT

GN

DC37

1n

C13

1n

C12470U

- +

PR11

4

3

2

U1LM7812C

1 3

2

IN OUT

GN

D

C14100n

D10

LED

R70680

D9

LED

24VAC

12

R712K2

C15100n

24V

12

5V

12

12V

12

Figura 33. Esquema de fuente de alimentación.

58

6.1.2 Esquema Detección de Nivel.

El proyecto consta de dos detectores de nivel, uno usado para el aljibe y el otro para el depósito.

COMUN ALJIBE

ALTO ALJIBE

COMUN ALJIBE

BAJO ALJIBE

24VAC1

24VAC2

24VAC1

24VAC2

ALTO ALJIBE

COMUN ALJIBEBAJO ALJIBE

+12V

+12V

+12V

24VAC124VAC2

SET POINT

+12V

+12V

SET POINT

+12V

+12V

SET POINT

+12V

U4D12

13

411

14

+

-

V+

V-

OUT

U4C10

9

411

8

+

-

V+

V-

OUT

JALJIBE

ALJIBE

123

R48 15k

P44

R501k

U4A3

2

411

1

+

-

V+

V-

OUT

R35

680K

R49

15k

U4B5

6

411

7

+

-

V+

V-

OUT

R33

680K

R3139k

D36

1 2

R301k

R36

680K

R56

680K

R39

680K

C3122u

R5139k

R53

680K

R55

680K

U2A

3

2

411

1

+

-

V+

V-

OUT

U2B

5

6

411

7

+

-

V+

V-

OUT

R52

560K

R32

560K

R59

680K

D56

1 2

C5122u

J5

CON2

12

J6

CON2

12

J7

CON2

12

D58

LED

D57

LED

R702K2

R722K2

Z1

4V7

Z2

4V7

SEÑAL BAJO ALJIBE

SEÑAL BAJO ALJIBE

SEÑAL ALTO ALJIBE

SEÑAL ALTO ALJIBE

Figura 34. Esquema detector nivel de aljibe.

COMUN POZO

ALTO POZO

COMUN POZO

BAJO POZO

24VAC1

24VAC2

24VAC1

24VAC2

ALTO POZO

COMUN POZOBAJO POZO

+12V

+12V

+12V

24VAC124VAC2

SET POINT

+12V

+12V

SET POINT

+12V

+12V

SET POINT

+12V

U10D12

13

411

14

+

-

V+

V-

OUT

U10C10

9

411

8

+

-

V+

V-

OUT

JALJIBE

ALJIBE

123

R28 15k

P24

R501k

U10A3

2

411

1

+

-

V+

V-

OUT

R25

680K

R29

15k

U10B5

6

411

7

+

-

V+

V-

OUT

R23

680K

R2139k

D26

1 2

R201k

R26

680K

R26

680K

R29

680K

C2122u

R2139k

R23

680K

R25

680K

U7A

3

2

411

1

+

-

V+

V-

OUT

U7B

5

6

411

7

+

-

V+

V-

OUT

R22

560K

R22

560K

R29

680K

D26

1 2

C2122u

J5

CON2

12

J6

CON2

12

J7

CON2

12

D28

LED

D27

LED

R702K2

R722K2

Z3

4V7

Z4

4V7

SEÑAL BAJO POZO

SEÑAL BAJO POZO

SEÑAL ALTO POZO

SEÑAL ALTO POZO

Figura 35. Esquema detector nivel de pozo.

59

6.1.3 Esquemático Microcontrolador.

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V +5V

+5V

+5V

12

3

J6

PROGRAMACION

12345

J5

SALIDAS

123

R15

D6

LED

R21

220

R22

220

D5

LED

J2

ENTRADAS

123

R16

220

D3

LED

R6R7R8

R10

D2

LED

R9

R14

220

R12R13

R11

J1

NIVELES

12345

R21 3

2

R1

1 3

2

C42

33pF

C43

33pF

U5

PIC16F876

22

2324

2526

21

9 10

2

3

161718

208271 28 19

15

11121314

RB1

RB2RB3

RB4RB5

RB0

OS

C1

OS

C2

RA0

RA1

RC5RC6RC7

VD

DV

SS

PG

C

VP

PP

GD

VS

S

RC4

RCORC1RC2RC3

Y1

ZTB

J4

AMPLIACIONES

123

J3

ALIMENTACION

12

R17

220

D4

LED

C45100nF

C44100nF

C46100nF

VPP

PGD

VPP

PGC

BOMBA

ELECTROVALVULA

SEÑAL ALTO ALJIBE

EXPANSION2

ENTRADA LENTA

ENTRADA LENTA

SEÑAL BAJO ALJIBE

SEÑAL BAJO ALJIBE

EXPANSION1

ELECTROVALVULA

SEÑAL ALTO POZO

SEÑAL BAJO POZO

SEÑAL BAJO POZO

SEÑAL ALTO POZO

SEÑAL ALTO ALJIBE

BOMBA

ALJIBE LLENOPOZO VACIOPOZO LLENO

ALJIBE VACIO

ELECTROVALVULA

EXPANSION 2EXPANSION 1

ENTRADA LENTA

ENTRADA RAPIDA

ENTRADA RAPIDA

ENTRADA RAPIDA

SEÑAL BAJO POZOSEÑAL ALTO POZOSEÑAL BAJO ALJIBESEÑAL ALTO ALJIBE

BOMBAALJIBE VACIOALJIBE LLENO

POZO LLENO

POZO VACIO

EXPANSION 1EXPANSION 2

PGDPGC

Figura 36. Esquema PIC.

6.1.4 Esquemático de Etapa de Potencia.

0

0

0

RV1

RV2

R42

CIRCUITCROSSZERO

U8 MOC30401

2

6

4

220V

CON2

12

BOMBA12

R40

C40

1n

R43

CIRCUITCROSSZERO

U9 MOC30401

2

6

4

ELECTROVALVULA12

R45

C41

1n

J2

SEÑALES

123

J1

24VAC12

Q2TRIAC_1

Q1TRIAC_1

C42

C43

Figura 37. Esquema de etapa de potencia.

60

6.2 Diseño de Placas de Circuito Impreso.

Se adjuntan los planos de las caras inferior, superior y de componentes.

6.2.1 Placa de Circuito Impreso de la Fuente de Alimentación

Figura 38. Cara de Componentes de Fuente de Alimentación.

Figura 39. Cara de Pistas Inferior de Fuente de Alimentación.

61

6.2.2 Placa de Circuito Impreso de Detección de Nivel.

Figura 40. Cara de Componentes de Detección de Nivel.

62

Figura 41. Cara de Pistas Inferior de Detección de Nivel.

Figura 42. Cara de Pistas Superior de Detección de Nivel.

63

6.2.3 Placa de Circuito Impreso de Microcontrolador.

Figura 43. Cara de Componentes de PIC.

Figura 44. Cara de Pistas Inferior de PIC.

64

Figura 45. Cara de Pistas Superior de PIC.

6.2.4 Placa de Circuito Impreso de de Etapa de Potencia.

Figura 46. Cara de Componentes de Potencia.

65

Figura 47. Cara de Pistas Inferior de Potencia.

6.3 Prototipo Para demostración.

Para la demostración del sistema se ha construido un prototipo montado sobre una placa de baquelita de 8mm.Conjunto montado.

Figura 48. Prototipo Montado.

66

7 Presupuesto.

7.1 Presupuesto fabricación de prototipo.

Material

Cantidad

Precio

Unitario

Precio

Total Resistencias carbón 1/4W

serie E12 5% 45 0,08 3,6

Regleta de conexión paso 5mm

3 pines 12 0,42 5,04

Regleta de conexión paso 5mm

2 pines 5 0,6 3

Varistor 250V 7mm 2 1,04 2,08

Potenciómetro eje 10mm 4 1,2 4,8

Macarrón termoretráctil 5mm 1 1 1

Leds color rojo 5mm 6 0,35 2,1

Leds bicolor 5mm 2 0,35 0,7

Leds color verde 5mm 9 0,74 6,66

Zócalo para panel led 5mm 5 0,32 1,6

Baquelita de 150x150 para isolar 6 8,05 48,3

Zócalo para CI de 14 pines 4 0,5 2

Zócalo para CI de 6 pines 2 0,2 0,4

Zócalo para CI de 28 pines 1 0,95 0,95

Condensador poliéster 100nF 6 0,1 0,6

Condensador de 22pF 2 0,08 0,16

PIC 16F876 1 10,2 10,2

Operacional cuádruple LM324 4 0,31 1,24

Regulador de tensión LM7805 1 0,53 0,53

Regulador de tensión LM7812 1 0,53 0,53

Puente rectificador 1A 1 0,7 0,7

Diodo 1N4007 2 0,09 0,18

Optotriac MOC3040 2 0,63 1,26

Triac BT139 2 1,4 2,8

67

Radiador para TO220 25ºC/W 1 1,09 1,09

Radiador para TO220 6.5ºC/W 1 6,9 6,9

Conjunto mica

aislante+silicona+tornillería 2 2 4

Transformador 220V/12+12V

0,37A. 1 11 11

Enchufe para red 1 2,4 2,4

Cable de 3 X 1,5 2 1,2 2,4

Suministro de sondas para prototipo 2 30 60

Pasamuros para las sondas 2 0,08 0,16

Interruptores para panel 5mm

220V/8A 2 0,95 1,9

Condensador electrolítico

470uF/25V 1 0,65 0,65

Condensador electrolítico

22uF/25V 2 0,2 0,4

Cable silicona rojo 0.75mm2 750V 25 0,15 3,75

Bridas tipo unex 60x3mm 20 0,09 1,8

Total de materiales IVA no

incluido 196,88 €

Horas de fabricación de PCBs,

motaje de las PCBs,

y comprobaciones. 12 30 360

Total Horas construcción

IVA no incluido 360,00 €

68