Diseno de un sistema electronico para controlar la temperatura en unmicroclima

Carlos Aguilar Lopez∗a 1

Jose E. Moises Gutierrez Arias∗b

Ivan Noe Perez Ramırez∗c

Jose Eladio Flores Mena∗d

Ma. Montserrat Morın Castillo∗e∗ Benemerita Universidad Autonoma de Puebla, 14 Sur Avenida San Claudio, Ciudad Universitaria, C.P. 72570,

Tel. (222) 229-55-00 ext. 7405. Puebla, Pue., Mexico

RESUMEN

El presente trabajo consiste, en disenar y construirun prototipo de un sistema electronico que sea capazde controlar la temperatura al interior del microcli-ma. La construccion del sistema electronico de controlconlleva al desarrollo de cuatro etapas, la etapa de ali-mentacion, el acondicionamiento del sensor, una etapade control realizada en un microcontrolador y unaetapa de potencia, la cual obedece a una ley de con-trol que dicta el comportamiento de la senal hacia losactuadores los cuales realizan la tarea de calefaccion oenfriamiento. Palabras Claves: Microclima, Sistemaelectronico de control, microcontrolador, actuadores,etapa de potencia.

1. INTRODUCCION

La idea de utilizar control por retroalimentacion esmantener o satisfacer ciertas condiciones que se supo-nen son favorables para el cultivo. Un control simplede lazo cerrado es raro en el control del clima de unmicroclima, dado que no hay una conexion clara entrelas variables a ser controladas y los actuadores dis-ponibles. Las ventanas por ejemplo, se emplean tantopara el control de la temperatura como para el de lahumedad. Modificando la temperatura mediante cale-faccion tambien se afecta la humedad relativa. Inclusolas restricciones de control operacionales son afectadas.Sin embargo, los controles multivariable por retroali-mentacion propiamente disenados son relevantes en unambiente jerarquico.Rangos aceptables de operacion o puntos de ajus-te varıan con respecto al tiempo. Con frecuencia, enuna computadora del clima real, estas curvas y lımitesestan definidos por un cierto numero de puntos biendefinidos llamados ajustes. En la practica, dichos ajus-tes se eligen de manera heurıstica por el agricultor enbase a su propia experiencia, una base de datos biendefinida y/o un despliegue visual del estado de la co-secha.

Los ajustes pueden tambien ser originados a partir deoptimizacion estacional, es decir, la solucion del sub-problema tomando como base una gran escala de tiem-po. Para el calculo de las trayectorias deseadas, noexiste compromiso alguno entre los beneficios obteni-dos de la venta del cultivo y los costos de operacion.Con esta aproximacion, el problema se reduce al disenodel control.

2. Diseno del sistema de control

Fuente de alimentacion

Esta primera etapa esta encargada de suministrar elvoltaje de alimentacion requerido en la mayornia delos componentes utilizados. La topologıa empleada enel diseno de esta fuente de voltaje se observa en laFigura1 (se disena a 5 V, 1.5 A)

Figura 1: Fuente de alimentacion

A la entrada del circuito se han anadido un fusible yun diodo supresor de transitorios (TVS) como protec-cion en caso de que el circuito llegara a presentar unafalla y demandar una cantidad de corriente superiora la que el transformador es capaz de entregar. Debi-do a la automatizacion de las variable de temperaturadel microclima a controlar, los actuadores encargadosde estabilizarla en valores aceptables estaran siendollevados de apagado a encendido y viceversa frecuen-temente. Esta conmutacion constante puede provocarun sobrevoltaje transitorio sobre el actuador que puedellegar a danarlo. Para evitar este tipo de desperfectosen el desempeno del circuito, se decide utilizar diodossupresores de transitorios de voltaje (TVS), cuya fun-cion es precisamente sujetar el nivel del potencial dealimentacion por debajo de cierto maximo permitido.

Dependiendo de si el actuador opera en voltaje de DCo AC, existen TVS unidireccionales y bidireccionales.

1a)alca081386@gmail.com; b)jmgutierrez@ece.buap.mx; c )ivann.pr@gmail.com; d)eflores@ece.buap.mx;e) mmorin@ece.buap.mx

En cuanto a la seleccion del modelo de diodo TVS bi-direccional, se considera el voltaje pico suministradopor la toma de corriente. Utilizando un multımetro semidio el voltaje RMS dado por la toma, obteniendoası 130 VRMS. De esta forma, el voltaje pico sera:

Vp =√

2VRMS = 184Vp (1)

En el caso del diodo TVS unidireccional colocado a lasalida de la fuente de alimentacion, se selecciona unocon un voltaje de Stand-off de 5 V .

Acondicionamiento del sensor

Respecto a los componente de esta etapa del disenover figura 2, la fuente de voltaje esta alimentando aun sensor de temperatura LM35 de intemperie y unOpAmp LM358. El motivo de emplear este sensor detemperatura es que al estar disenado para operar enla intemperie, factores del microclima tales como lahumedad no afectaran de manera crıtica su funcio-namiento. Dentro de sus caracterısticas principales seencuentran:

Voltaje de alimentacion: 5 a 20 VDC.

Salida con factor lineal: 10 mV / C

Rango de medicion: -50 a + 150 C

Precision: 0.5 C

Figura 2: Acondicionamiento del sensorCuando se elige un transductor es importante consi-derar los rangos de salida de este. Con frecuencia elsensor requiere un acondicionamiento de la senal pa-ra ser adquirida por la parte DAQ. La impedancia esuna combinacion de resistencia, inductancia y capaci-tancia a lo largo de las terminales de entrada y sali-da de un circuito. En la Figura 3 se puede observarla impedancia resistiva de salida de un transductor yla impedancia de entrada resistiva de un dispositivoDAQ. En la realidad, la capacitancia y la inductanciatambien estan presentes en todos los sistemas DAQ.Es importante que la impedancia de entrada del DAQsea mucho mayor en relacion con la impedancia de sali-da del transductor empleado. En general, entre mayorsea la impedancia de entrada del DAQ, menor sera laperturbacion en la senal medida por este.Si se toman en cuenta las impedancias resistivas, comoen la Figura 3, la impedancia de salida del transductor

y la impedancia de entrada del DAQ crean un divisorde voltaje. El voltaje de entrada real al amplificadorde instrumentacion del DAQ (PGIA) se puede calcularcon la ecuacion (2):

Vin = [Vs][Rd/(Rs +Rd)] (2)

Figura 3: Modelo tıpico de transductor-DAQPor ejemplo, si Rs y Rd son iguales, el voltaje a travesdel PGIA y el DAQ es la mitad del voltaje de salidadel transductor. Esto da como resultado un compor-tamiento indeseado en los sistemas de medicion. Si Rd

es extremadamente grande y Rs extremadamente pe-queno, entonces Vin y Vs son casi iguales. En caso deno ser posible utilizar un transductor con una impe-dancia de salida baja, se debe utilizar un seguidor devoltaje que utilice amplificadores operacionales de ga-nancia unitaria por cada fuente de alta impedanciaantes de ser conectada al DAQ. Esta configuracion esconocida comunmente como buffer de gananca unita-ria, y disminuye la impedancia de la fuente conectadaal dispositivo DAQ. Una fuente de voltaje es requeri-da para alimentar al OpAmp, dicha fuente debe estarconectada a la misma tierra del DAQ.De acuerdo con la configuracion de entrada, la termi-nal negativa del transductor se conecta a la tierra delPGIA (ver Figura 4).

Figura 4: Seguidor de volt conexion a tierra comunLa ventaja que el OpAmp LM358 presenta ante otrosde uso mas comun es que requiere unicamente de unafuente de alimentacion, ademas de que el rango de vol-tajes de operacion va de 3 VDC a 32 VDC. Por es-tas razones dicho OpAmp se considera adecuado parael proposito de este trabajo. Tanto el sensor como elOpAmp seran alimentados por la fuente de voltaje de5 V . De acuerdo con la Figura 2, a la salida del segui-dor de voltaje se conecta un OpAmp en configuracionde amplificador no inversor. La razon de esto es queel voltaje obtenido del sensor de temperatura esta enel rango de los milivolts. Estos niveles de voltaje soninsuficientes para ser registrados correctamente por laetapa DAQ del controlador, que requiere voltajes de 0a 5 V DC.

Los calculos realizados para el valor de los componen-tes en el seguidor no inversor se muestran a continua-cion:

ACL =V0

Ei= 1 +

Rf

Ra(3)

Se buscara que el voltaje medido a la salida del se-guidor sea amplificado 10 veces. De esta manera elrango de voltaje obtenido a la salida del amplificadorno inversor ira de 0 a 5 V , que corresponde a unatemperatura medible de 0 a 50 C. De esta manera setiene:

Ganancia:ACL= 10

Resistencias:RA=10 KΩ, RL= 27 KΩ

Capacitancias:CA= CB= 0.1 µF

A partir de estos datos y de la ecuacion (3) se obtieneel valor de RF :

RF = (ACL − 1)Ra = 90KΩ (4)

Etapa de control

De acuerdo como se muestra en la Figura 5, eldispositivo de control elegido, un microcontroladorPIC18F4550 de Microchip, esta alimentado por lafuente de voltaje disenada en la primera etapa. Elvoltaje de salida de la senal del sensor acondicionadaingresa por uno de los canales analogicos, mientrasque para la salida hacia los relevadores de activacionde los ventiladores se utilizan dos puertos bidireccio-nales digitales, ademas de la utilizacion de un moduloCCP en modo PWM que se conecta hacia el calefac-tor. Ademas de esto, se conecta un modulo LCD alpuerto B del microcontrolador que estara desplegandosiempre el valor de la temperatura actual dentro delmicroclima, ademas de mostrar si esta se encuentradentro o fuera de los rangos permitidos.

Figura 5: Controlador del sistema

Actuadores

Como ultima etapa en el diseno de la implementaciondel sistema se tiene el circuito de activacion de los ac-tuadores encargados de aumentar o disminuir la tem-peratura del microclima en el invernadero (ver Figura6).

Figura 6: Actuadores

Dado que el objetivo de los actuadores es mantener latemperatura al nivel obtenido de acuerdo a la teorıade control optimo, se emplean tres actuadores en total.El primer actuador es una resistencia calefactora queopera en conjunto con el tercer actuador, un ventila-dor para convexion, a cargo de elevar la temperaturahasta alcanzar el nivel deseado. Este tercer actuadorpondra en circulacion el aire caliente alrededor de laresistencia calefactora. El segundo actuador es un ven-tilador extractor cuyo proposito es el de disminuir latemperatura en caso de que esta se encuentre por enci-ma del nivel permitido. Si la temperatura se encuentrapor encima del rango permitido unicamente se accio-nara el extractor, mientras que si se requiere aumentarla temperatura el ventilador para convexion sera acti-vado, ademas de que un control PID estara a cargo dela activacion de la resistencia calefactora. Refiriendoseal diagrama propuesto en la Figura 6, de dos de lassalidas digitales en el puerto D del microcontroladorse toman las senales encargadas de la activacion delos ventiladores y un modulo CCP se conecta hacia elcalefactor. El motivo de utilizar un transistor MOS-FET canal N para cerrar el circuito de activacion delos actuadores es que este tipo de transistor se acti-va debido a un voltaje en su terminal de compuerta.Un MOSFET requiere una corriente insignificante enla terminal de Gate, pero requiere que se garantice unvoltaje mınimo para su activacion. Dicho voltaje vie-ne especificado en la hoja de datos como “ThresholdVoltage”. Ademas, se debe tener en cuenta que la altaimpedancia de entrada del MOSFET hace que se re-quiera una resistencia que mantenga la terminal Gatecon un potencial bajo cuando el microcontrolador seencuentra en reset. La conexion se puede observar enla parte inferior de la Figura 6. La resistencia en elGate del MOSFET no debe permitir que se exceda lacorriente maxima admisible del pin, generalmente unvalor de 10 a 100 KΩ funciona bien y permite man-tener el MOSFET en estado de corte aunque el Gateeste desconectado o el microcontrolador se encuentreen reset.

En cuanto a la parte del circuito de los relevadores, lacorriente que fluye a traves de la bobina de cada rele-vador crea un campo magnetico el cual cae de repentecuando la corriente deja de circular por ella. Esta caıdarepentina del campo magnetico induce sobre la bobi-na un breve pero alto voltaje, el cual es muy probableque dane transistores y circuitos integrados. El dio-do de proteccion permite al voltaje inducido conduciruna breve corriente a traves de la bobina y el diodo,de esta manera el campo magnetico se disipa rapida-mente. Esto previene que el voltaje inducido se hagasuficientemente alto como para causar algun dano a losdispositivos. A manera de proteccion, de igual formaque en la primera etapa, aquı se coloca un diodo TVSbidireccional en paralelo con la toma de voltaje de ACde los ventiladores y un diodo TVS unidireccional pa-ra el calefactor con motivo de evitar transitorios devoltaje que puedan danar a los actuadores. Ademasse conecta en serie con cada actuador un fusible encaso de que se llegue a exceder la corriente maximaque circule por ellos. Para la implementacion del dis-positivo, uno de los tipos de calefactores mas utilizadoen los invernaderos comerciales es de tipo tubular. Sinembargo, muchos de estos actuadores carecen de uncontrol a cargo de su encendido y apagado automati-co, es decir que no estan automatizados. Para el TVSunidireccional se elige el NTE4920 , cuyo voltaje destand-off de 12.8 V . Los tres actuadores seleccionadospara hacer las pruebas iniciales son:

Ventiladores de extraccion y convexion: TY JYA221225HBL, 120 VAC, 0,12 A, 70 CFM, 120 X120 X 25 mm

Resistencia calefactora: Schumacher 1224, 12VDC, 12,5 A, 198 X 172 mm

Diseno del control

Una vez ya bien definidas y hecho el diseno de cadauna de las etapas del circuito a cargo del control detemperatura, se realiza el programa del microcontro-lador. Para controlar al primer actuador, el calefactor,se disena un controlador de tipo PID que se encargade mantener la temperatura al interior del invernade-ro dentro del rango permitido de acuerdo con los va-lores de control optimo. En la Figura 7, se muestra eldiagrama de flujo del comportamiento del sistema decontrol en general. Es a partir de este que se programael microcontrolador.Uno de los controladores que se emplean en el controlde temperatura es el PID, que de acuerdo con la teorıade control, en general responde a la ecuacion (5), dadapor:

u(t) = kpe(t) +Kp

Ti

∫ 0

te(t)dt+KpTd

de(t)

dt(5)

donde:

e(t) error de la senal

u(t) entrada de control

Kp ganancia proporcional

Ti constante de tiempo real

Td constante de tiempo derivativa

Figura 7: Diagrama de flujo de control gral.En el dominio de la frecuencia (s), aplicando transfor-mada de Laplace a la ecuacion (5), el controlador PIDse puede escribir como se muestra a continuacion en laecuacion (6):

U(s) = kp[1 +1

Tis+ Tds]E(s) (6)

En un controlador PID se tienen tres parametros Kp,Ti, Td los cuales interactuan uno con otro y su ajus-te para obtener el mejor control posible puede sercomplicado. Ziegler/Nichols sugirieron valores paralos parametros de control PID basados en analisis delazo abierto y lazo cerrado del proceso a controlar. Enlazo abierto, muchos procesos pueden definirse segunla siguiente funcion de transferencia ecuacion (7):

G(s) =k0es0

(1 + sγ0)(7)

Donde los coeficientes k0, T0 y γ0 se obtienen de larespuesta del sistema en lazo abierto a una entradaescalon. Se parte del sistema estabilizado en y(t) = y0para u(t) = u0, se aplica una entrada escalon de u0a u1 (el salto debe estar entre un 10 % y un 20 % delvalor nominal) y se registra la respuesta de la salidahasta que se estabilice en el nuevo punto de operacion.

Figura 8: Respuesta de salida a una entrada escalonBasandose en la Figura 8, se pueden obtener losparametros de esta respuesta:

T0=t1-t0

γ0= t2- t1

k0 = y1−y0

u1−u0

De acuerdo con Ziegler/Nichols, las relaciones de estoscoeficientes con los parametros del controlador estandadas por el conjunto de ecuaciones (8):

Kp =1,2γ0

k0T0Ti = 2T0 Td = 0,5T0. (8)

Dado que se esta trabajando con un controlador di-gital, se debe tratar al PID como discreto, que vienedado por la transformada Z, obteniendo de esta ma-nera la ecuacion (9):

U(z) = E(z)Kp[1 +T

Ti(1− z−1)+ Td

(1− z−1)

T] (9)

Ası entonces:U(z)

E(z)= α+

b

(1− z−1)+ c(1− z−1)] (10)

donde: α = Kp. b =KpTTi

. c =KpTd

T

Figura 9: Diagrama de flujo del controlador PIDEl diagrama de flujo sobre el cual se basa el algorit-mo empleado para programar el microcontrolador semuestra en la Figura 9. El muestreo debe ser muchomenor que el tiempo de establecimiento del sistema enlazo abierto. En el modelo de Ziegler/Nichols se tomaun valor de T < T0/4 o equivalentemente T < γ0/10.Un problema asociado a este tipo de diseno es el lla-mado ıntegral windup”, el cual puede provocar largos

perıodos de sobreimpulsos originados por los valoresexcesivos que alcanza la senal de control debido a laacumulacion en el integrador. Para evitar este proble-ma se limita la senal de control entre un valor maxi-mo y otro mınimo, impidiendo que el integrador actuecuando se superan esos lımites. El siguiente paso esahora tomar el actuador calefactor y hacer un analisistransitorio del mismo para calcular los parametros T0,γ0 y K0 en simulacion.

3. SIMULACION

A continuacion se ponen en funcionamiento ambosactuadores para registrar su respuesta transitoria ypoder obtener ası los valores necesarios para realizarlos calculos del controlador PID. Esta respuesta semuestra en la grafica de la Figura 10.

Figura 10: Analisis transitorio de los actuadoresDe acuerdo con la Figura 10, al trazar la recta tan-gente en el punto de inflexion, se pueden determinarlos parametros necesarios para obtener el control PIDy pasar obtener los coeficientes T0, γ0 y K0 y apartirde los coeficientes, se calculan los parametros Kp, Ti, yTd de acuerdo con Ziegler Nichols. Contando ahora conlos valores de los coeficientes y parametros obtenidosde la grafica de respuesta transitoria, se calculan losvalores de a, b y c, recordando que el muestreo debecumplir: T < T0/4 = 45Ya con todos los datos se realiza el programa del mi-crocontrolador, basandose en los diagramas de flujo delas Figuras 7 y 9 a cargo del control general y el con-trolador PID respectivamente, para inicialmente sersimulado en el software Proteus

Figura 11: Diagrama esquematico de la simulacion

La grafica con los resultados obtenidos en dicha simu-lacion se muestra a continuacion en la Figura 12:

Figura 12: Grafica resultante de la simulacionCon esta ultima grafica, se comprueba que el tanto elprograma como el diagrama funcionan correctamente,manteniendo la temperatura a un nivel especificadoen el programa del microcontrolador, por lo que seprocede a realizar el diseno del PCB del dispositivo.

Figura 13: Temperatura desplegada en LCDSe carga el programa de control, incluyendo la rutinade control PID realizado a partir de los parametrosobtenidos y se realizan las pruebas finales con los ac-tuadores seleccionados.

Figura 14: Lecturas de temp en pruebas finalesEn la Figura 14 se muestran los valores de temperatu-ra registrados durante esta prueba. Se debe mencionarque en esta prueba la temperatura mınima a la cual sedebıa mantener el entorno es de 24 C y sin excederlos 26 C.

4. CONCLUSIONES

Se realizo el diseno del sistema electronico encargadode mantener la temperatura al interior del microclimadentro de un rango determinado. La primera etapa, lafuente de voltaje, funciono correctamente entregando 5V al resto de las etapas sin que hubiera caıda de voltajealguna. En cuanto a las siguientes dos etapas, el acon-

dicionamiento del sensor fue la que mayores complica-ciones presento, ya que al ser desplegado en el LCD elvalor actual de la temperatura existıa ruido que inter-ferıa con el funcionamiento de la etapa del controlador.Habiendo solucionado este problema del ruido el restode las etapas de la implementacion funcionaron de ma-nera correcta. En cuanto a las pruebas realizadas a laultima etapa del diseno, se implemento un sistema decalefaccion de tipo tubular. La manera en la que elevanla temperatura es mediante convexion; en un cilindrometalico se montaron un ventilador y una resistenciaelectrica que al funcionar pone en movimiento el ai-re caliente que se genera. Para la disminucion de latemperatura se emplea un ventilador de extraccion deaire caliente. Los resultados arrojados por estas prue-bas finales al sistema electronico operando con las 4etapas en conjunto fueron satisfactorios. En una habi-tacion de 31 m3 se logro mantener la temperatura ala cual fue programado el controlador, aun despues deintroducir perturbaciones exteriores repentinas. Por loque se puede concluir que tanto el diseno como la im-plementacion del dispositivo encargado de controlar latemperatura fue exitoso.

7. REFERENCIAS

Van Straten, Gerrit; van Henten, Eldert. “Op-timal Control of Greenhouse Cultivation”. CRCPress. 2011.

Lopez Cruz, Irineo L. “Control Optimo del Cli-ma del Invernadero: Avances y Retos”. Univer-sidad Autonoma Chapingo

Lopez Cruz, Irineo L. “Introduccion a la Teorıade Control Optimo”. Universidad AutonomaChapingo. 2005.

National Instruments. “Using a Unity Gain Buf-fer (Voltage Follower) with a DAQ Device”. Na-tional Instruments Tutorial. May 2012.

Torres Torriti, Miguel. “Tutorial Microcontro-ladores PIC”. Escuela de Ingenierıa, PontificiaUniversidad Catolica de Chile. Santiago de Chi-le. Abril 2007.

Garcıa Breijo, Eduardo “Compilador C CCS ySimulador PROTEUS para MicrocontroladoresPIC”. Alfaomega Grupo Editor, Mexico. Junio2008.

Barnett, Richard; O’Cull, Larry, Cox, Sarah“Embedded C Programming and the MicrochipPIC”. THOMSON, Delmar Learning. U.S.A.2004.