Autor: Rubén San Martín – Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CESICE).FIIIDT.
Un invernadero es un lugar cerrado, estático y accesible a pie que se destina al cultivo de plantas, tanto decorativas como hortícolas, para protegerlas del exceso de frío en ciertas épocas del año. Habitualmente está dotado de una cubierta exterior translúcido de vidrio o de plástico, que permite el control de la temperatura, la humedad y otros factores ambientales, que se utiliza para favorecer el desarrollo de las plantas. Es importante mantener ciertas temperaturas, que varían según los cultivos presentes en el invernadero, por lo cual se realizan lazos de control para mantenerlas, independientemente de la temperatura ambiente presente fuera del invernadero. [1]
El diseño de control consiste en un sistema combinacional que permita regular la temperatura de un invernadero, según el diagrama de la Figura 1. La temperatura llega desde un sistema de sensores mediante un código en binario natural de tres bits, en el que un incremento de código supone un incremento de temperatura de 5º Centígrados (Código 0 si la temperatura está entre 0º y 4º, código 1 si la temperatura está entre 5º y 9º, código 2, entre 10º y 14º y así sucesivamente).
El comportamiento del sistema, tendrá que cumplir con las condiciones siguientes:
- Las temperaturas entre 25º y 34º generan la activación del ventilador.
- Las temperaturas por debajo de 25º generan la activación de la calefacción.
- Las temperaturas sobre 34º generan la activación del aire acondicionado.
Ya que los sensores arrojan valores en binario natural de 3 bits se puede interpretar que las variables de entrada son tres, en este caso se llamarán S1, S2 y S3, dando ocho (8) posibles combinaciones, tomando en cuenta la fórmula . Cada código comenzando desde 0 hasta 7 son un rango de temperatura (Véase en la Tabla 1).
Como salidas a controlar se tienen tres, Ventilador, Calefacción y Aire Acondicionado, es importante resaltar los valores binarios de encendido y apagado de cada una de estas salidas o actuadores.
Ventilador = V (1= encendido. 0= apagado).
Calefacción = C (1= encendido. 0= apagado).
Aire Acondicionado = A (1= encendido. 0= apagado).
Una vez definidas las entradas y las salidas, se puede realizar la tabla de la verdad por la que se regirá todo el circuito lógico, esta ayuda a visualizar todas las posibles combinaciones de las entradas y poder definir en qué casos se deben activar los actuadores.
Nótese que cada código representa un rango de temperatura y su respectivo número en binario. De la tabla de la verdad se pueden obtener las funciones para cada actuador.
La Función Booleana para el Ventilador (V):
Nota 1: las multiplicaciones se realizan con compuertas AND, las sumas con compuertas OR y las variables se niegan con las compuertas NOT.
Nota 2: las variables que tienen el apóstrofe (‘) son negadas, se leen: S1’ = S1 negada.
Se puede sacar S1 factor común:
Usando la propiedad de la compuerta lógica OR-Exclusiva (XOR) que realiza la función booleana A’B + AB’ y su ecuación se escribe F= A B. [3] Se puede simplificar la función para el ventilador, y quedaría de la siguiente forma:
La Función Booleana para la Calefacción (C):
Se realiza factor común S1’ y S2’*S3’.
Aplicando la propiedad de la Inversión del Algebra de Boole [4], dice que a + a’ = 1. Por lo tanto, la función se puede simplificar a:
Ahora se aplica la propiedad del Algebra de Boole que dice, a + 1 = 1.
Para finalizar se aplica una última propiedad Algebra de Boole que dice, a * 1 = a. De esta forma se simplifica mucho la función booleana para la Calefacción:
La Función Booleana para el Aire Acondicionado (A):
Teniendo las tres funciones para todo el sistema de control que se desea realizar, se puede esquematizar el circuito lógico utilizando compuertas digitales, en este caso de manera didáctica se colocaran como actuadores: un led azul para el aire acondicionado, un led rojo para la calefacción y un motor para el ventilador. El circuito esquemático quera de la siguiente forma:
Figura 2. Circuito Esquemático. Fuente [2]
De igual forma se puede obtener una visualización 3D de la tarjeta que controlará el invernadero:
Una vez más se puede ver que con compuertas lógicas digitales se pueden realizar sistemas de control de manera muy sencilla, sin necesidad de programar microcontroladores. En este caso el sistema de control permite mantener una temperatura adecuada para mantener los cultivos dentro del invernadero.
Bibliografía:
[1] Wikipedia (2020). Invernadero. Fecha de consulta: 03, septiembre, 2020 desde https://es.wikipedia.org/wiki/Invernadero#:~:text=Un%20invernadero%2C%20estufa%20fr%C3%ADa%20o,en%20ciertas%20%C3%A9pocas%20del%20a%C3%B1o
[2] Rubén San Martín, José Barrios (2017). Compuertas Lógicas -Venezuela (Investigación para el Laboratorio de Sistemas Lógicos) Charallave: Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Ingeniería Mecatrónica.
[3] Fundación Instituto de Ingeniería para Investigación y Desarrollo Tecnológico (2020). Electrónica Digital, Compuertas Lógicas. Fecha de consulta: 25, agosto, 2020 desde http://www.fii.gob.ve/electronica-digital-compuertas-logicas/
[4] Recursos TIC Educación (N). Funciones Lógicas. Fecha de consulta: 02, septiembre, 2020 desde http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena5/4q2_contenidos_4d.htm
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