A1_81 - Incubadora Con Pic

7/29/2019 A1_81 - Incubadora Con Pic

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MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIMY CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECNICA 2007

19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MXICOA1_81

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edicin: 2007 D.R.2006. Sociedad Mexicana de Ingeniera Mecnica, A.C. 115

DISEO DE MQUINA INCUBADORA AUTOMTICA DE HUEVO

Fernando Cortes Barcenas, Ulises M. Peuelas Rivas,Juan Carlos Contreras Licona, Jess Manuel Dorador Gonzlez

Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de MxicoCircuito Interior s/n, Ciudad Universitaria, Coyoacn Mxico, D. F. CP 04510

Tel. 5622 8050(1)[email protected], [email protected],

[email protected], [email protected]

RESUMEN

Una incubadora de huevos de ave, es un recinto en elcual se tiene control de temperatura, humedad,ventilacin y movimiento de los huevos. El modeloque aqu se expone es el ms reciente, y es el

resultado de una serie de modificaciones y mejorasque se han implementado en modelos anteriores, conel fin de hacer una incubadora ms funcional, con unbajo consumo de energa, y que le brinde al usuarioflexibilidad para su operacin y versatilidad para quese adapte a sus necesidades.

La incorporacin de un microcontrolador(PIC16F877A), para llevar acabo el control detemperatura, humedad y movimiento de la incubadoraha sido de suma importancia, ya que con ello se haobtenido precisin, y se ha facilitado el manejo de laincubadora, lo cual ha permitido tener una alta taza denacimientos (entre 85 y 95 %)

ABSTRACT

An egg incubator, is an enclosure in which control oftemperature, humidity, ventilation and movement ofeggs is had. The model that is exposed here is themost recent, and is the result of a series ofmodifications and improvements that have beenimplemented in previous models, with the purpose ofmaking a more functional incubator, with a lowconsumption of energy, and that offers to the usuary

flexibility to its operation and versatility so that itadapts to his necessities.

The incorporation of a microcontroller(PIC16F877A), to take I finish to the control oftemperature, humidity and movement of theincubadora has been of extreme importance, sincewith it precision has been obtained, and the handling

of the incubator has been facilitated, which hasallowed to have a high rate of births (between 85 and95%)

INTRODUCCION

La incubacin artificial de huevos de ave, es unaactividad que se lleva a cavo desde mediados del sigloIX. Desde entonces la incubadora ha evolucionadodesde incubadoras manuales, fabricadas en madera,con una capacidad reducida de huevos a incubar,hasta naves computarizadas con capacidades de milesde huevos, con sensores que permiten tener unaatmsfera propicia para el nacimiento de aves.

La incubacin artificial surgi de la necesidad desatisfacer la demanda alimenticia de la humanidad, y

para poder incubar especies que por seleccin naturales difcil que se logren.

En la actualidad se cuenta con controles electrnicosdigitales de alta precisin, sin embargo, son pocas lasincubadoras que garantizan una alta taza denacimientos ( mayor del 85%), que tenga un consumode energa moderado, y que su interface de controlsea flexible al usuario, esto debido, entre otras cosas,a que no incorpora un sistema de control en el cual unsolo mdulo monitoree los parmetros a controlar, esdecir, a un modulo se le asigna la medicin de la

temperatura, a otro la humedad, y a otro la posicinde los huevos, no habiendo una interconexin entre s,lo cual no permite relacionar los parmetros, que esmuy importante, por ejemplo, cuando se requierecontrolar la humedad.


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Figura 1. Vista de incubadora

En la incubadora que se diseo se ha atendidoprincipalmente al desarrollo de un control electrnicoque controle los parmetros de la incubadora, por loque en ste artculo se har nfasis primordialmenteen como el diseo mecatrnico, ayud a resolver un

problema de diseo, apoyndose en modelosmatemticos para poder llevar a cavo el control de losparmetros de incubacin.

CASO DE ESTUDIO

Algunas de las funciones que debe llevar a cavo laincubadora son las siguientes:

Mantener una temperatura estable con variacionesno mayores de 1F (Tpicamente los valores detemperatura que se requieren oscilan entre 97F y103F)

Mantener un porcentaje de humedad relativaestable con variaciones no mayores de 3%

Girar los contenedores en los que se encuentrandispuestos los huevos, esto se debe hacer en 30segundos en un lapso de entre 1 y 2 hrs.

La ventilacin debe ser tal que el aire dentro de laincubadora tenga un contenido menor de 600 ppmde CO

En la figura 1 se muestra la disposicin fsica de unaincubadora. La incubadora se diseo basada en loscuatro puntos antes mencionados, ya que controla

temperaturas desde 32Fhasta 100Fcon variacionesde 0.44F. La humedad tiene un rango de operacinde 25 % hasta 90% con variaciones de 1%. El tiempode volteo permite un rango de 1 a 255 min y se haimplementado un sistema de ventilacin forzada, quepor un lado absorbe aire limpio, y por otro saca el aireviciado debido a la respiracin de los embriones.

Dentro de la incubadora, parmetros como humedad,temperatura, tiempo de volteo y ventilacin, seencuentran perfectamente controlados con el fin deobtener una taza de nacimientos mayor del 85%

La incubadora que se diseo permite incubardiferentes especies de ave, ya que por medio de unteclado se pueden introducir valores de los parmetrosa controlar, con lo cual se puede incubar desde pato,que requiere una temperatura de 101 F y 70% de

humedad, hasta avestruz, que requiere 98 F y 35 %

de humedad.

CARACTERSTICAS GENERALES

En la figura 1 se muestra el aspecto fsico de unaincubadora con capacidad para 108 huevos, la cual seencuentra dotada de diferentes elementos, tales comoresistencias, para suministrar calor, contenedores paracolocar los huevos, un panel de control que consta deun modulo lcd y teclado matricial, sensores dehumedad y temperatura que toman las medidas de la

humedad y temperatura respectivamente para saber elestado interno de la incubadora, y un sistema deventilacin que permite mantener el aire limpio y unatemperatura constante en el interior de la incubadora.

Las paredes de la incubadora se han diseado de talmanera que la transferencia de calor al exterior seamnima, ya que entre las lminas interior y exterior,se ha colocado espuma de poliuretano que tiene unbajo coeficiente de conduccin trmica. Paradeterminar el comportamiento de la transferencia decalor se utiliz la ley de Fourier [1] y para saber que

resistencias eran las adecuadas se utilizo la ley deenfriamiento de newton [1]

CONTROL ELECTRNICO

En la figura 2 se muestra el diagrama del controlelectrnico general, al microcontrolador se conectanlos siguientes elementos:


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Figura 2. Diagrama de interfaz

Un mdulo LCD de 16x4 Un teclado matricial Dos sensores de temperatura Un sensor capacitivo para medir nivel de

agua

Una memoria de 64 kb con protocolo I2C Dos interruptores Un zumbador Una tarjeta de relevadores Potencimetro de 50 k

En le mdulo LCD se visualizan los parmetros,temperatura, humedad y tiempo de volteo as comoalguna falla que pudiera suscitarse. El teclado permiteintroducir el valor de los parmetros, el zumbadorindica cuando la incubadora tiene alguna falla, la

unidad de potencia contiene los relevadores queactivan o desactivan los actuadores (ventilador,resistencias, electrovlvula, motorreductor, foco). Dosinterruptores se conectan al microcontrolador, uno espara saber si la puerta se encuentra abierta, y otro paraactivar el foco. Para saber la inclinacin de los huevosse ha colocado un potencimetro en el eje de giro de

las charolas, el potencimetro a su vez manda unaseal elctrica al microcontrolador. Tambin se hanconectado dos sensores de temperatura, uno paramedir temperatura y otro se ha acondicionado paramedir la humedad.. Tal acondicionamiento consiste

en mantener un sensor hmedo, de tal manera que setenga la referencia de la temperatura de bulbohmedo y bulbo seco.

Las caractersticas de los sensores son las siguientes:

Sensores analgicos con una salida se 10 mV/oC Resolucin de 0.44 F Rango de operacin de 0 a 100 CPara realizar la medida, cada sensor se ha conectado aun canal de entrada del convertidor analgico a digital

con una resolucin de 10 bits, que trae incorporado enle silicio el microcontrolador[2], y la informacin quese obtiene de la lectura del convertidor analgico adigital se procesa en el interior del microcontrolador.

El tener un valor de bulbo hmedo y bulbo seco,permite conocer el porcentaje de humedad dentro dela incubadora, a travs de la carta psicomtrica[3], dela cual se han extrado algunos valores y se hanguardado en una memoria conectada almicrocontrolador por medio del protocolo I2C. En elprograma que se ha grabado en el microcontrolador,se ha incluido una ecuacin que permite relacionar losvalores de bulbo seco y bulbo hmedo, y lasdirecciones de la memoria, de tal manera que al saberlos valores de bulbo hmedo y seco se puede leer dela memoria el valor del porcentaje de humedad quecorresponde. La deduccin de la ecuacin tambin seha apoyado en la carta psicomtrica.

PROGRAMA DE CONTROL

En la figura 3 se muestra el diagrama de flujo generaldel programa de control principal, en l se muestran

los niveles de jeraquizacin utilizados adems de losbloques de control principal de las actividades que serealizan en la incubadora.

El sistema funciona en tiempo real, por lo cul losparmetros de jerarqua primaria son atendidos porinterrupcin permitiendo as que los servicios de


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control en el nivel secundario se trabajen de formaparalela atendiendo a los datos del nivel primario.

El sistema trabaja a una velocidad mxima de 20MHz, lo que implica que se pueden realizar hastacinco millones de operaciones por segundo, por loque el control de la mquina se puede considerarrobusto con respecto a las tolerancias de tiempo. Cadacorrida del programa principal se efecta en 2segundos. El procesar la informacin implicaconvertir los valores, colectados de los sensores, abinario codificado a decimal, para ser comparados

con los valores que se requieren, y as activa odesactivar los actuadores segn se requiera.

Las fallas que se pueden tener son:

Temperatura alta Temperatura baja

Falta de agua Motor trabado.ANALISIS CINEMTICO DEL MECANISMODE VOLTEO

En la incubacin artificial es necesario que los huevossean volteados 90 cierto tiempo (parmetro enfuncin de la especie a empollar). La configuracindel mecanismo de volteo se muestra en la figura 4.

Figura 3. Diagrama de flujo del programa principal


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Al rotar el husillo el collarn se desplaza en forma

lineal en direccin vertical y transmite el movimientoal soporte de los contenedores, que nicamente gira,por medio de la barra acopladora, que tiene unmovimiento plano general. El soporte del contenedorsolo puede moverse en un intervalo de -45 a 45como se muestra en la figura 5.

Del anlisis cinemtica se debe deducir la velocidaddel collarn, para saber cual es la velocidad delmotorreductor que har girar al husillo, sabiendo que

los soportes del contenedor giran a 1 rpm., ladistancia BC es de 0.07675 m, la distancia del puntoB al centro del husillo es 0.0542 m, y la barraacopladora mide 0.08 m.

Lo primero es obtener la velocidad del punto C entrminos de la velocidad angular del soporte de loscontenedores, de manera que:

)1.....(BCwV scc =

Sustituyendo valores,

smVc /)07675.0(1047.0=

El valor de la velocidad angular, ha sido previamenteconvertido a radianes sobre segundo.

Dado que la barra acopladora tiene movimiento planogeneral se puede considerar que pivotea en el punto Dcomo se muestra en el diagrama de la figura 6.

Por lo que:

)2.....(sen

ACCD =

entonces

mCD 1131.0=

y se sabe que

ACAD =

La velocidad de la barra acopladora con respecto alpunto D es:

Figura 6. Condiciones de velocidad del mecanismo

Figura 5. Intervalo de giro de los contenedores


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)3.....(08.0

senVBAC =

Y la velocidad del collarn se obtiene a partir de:

)4.....(DAV ACA =

de donde

)5.....(cosCA VV =

El calculo anterior es valido de -45 a 0o, sin embargo,dada la simetra del mecanismo se podra hacer unanlisis similar de 40 a 0o.

Las ecuaciones utilizadas en este apartado pueden serconsultadas en el libro de Norton[4]

El saber el valor de la velocidad del collarn, esimportante por que en base a ello se selecciona el tipode motorreductor que ser conectado al husillo. En elanlisis tambin se podra obtener la aceleracin, sinembargo, como las velocidades a las que trabaja elmecanismo son bajas, se desprecian efectos de inerciapara un anlisis dinmico (que no se muestra en esteartculo).

CONCLUSIONESEl haber incorporado un microcontrolador al controlde la incubadora que se diseo, ha permitido mejorarel funcionamiento y el rendimiento en la incubadoracon respecto a otras que ya se fabricaban en Mxico.El tener un control con sensores de precisin,relacionados entre si han permitido obtener tazas denacimiento de hasta un 95% con respecto aincubadoras que ofrecen a lo ms un 80% utilizandocontroles convencionales.

Otro resultado que se refleja el incorporar un

microcontrolador es el ahorro de energa y agua, yaque, por ejemplo, una incubadora que ya ha sidofabricada en Mxico, con una capacidad de 1000huevos tiene un consumo de 1000 watts y por dagasta entre 20 y 30 litros de agua. Una de lasincubadoras que se dise, con la misma capacidad

tiene un consumo de energa de 700 watts y al daconsume 10 litros de agua

Las comparaciones se han hecho basndose en unaempresa que comercializa incubadoras en Mxico

desde ya hace un tiempo [5]

Sin embargo, todava queda mucho por mejorar, yaque en fechas recientes, han surgido nuevos sensoresque permiten dar mayor precisin a las mediciones,los cuales ya se estn incorporando a nuevos modelosde incubadoras, y con ello se pretende que en unfuturo no muy lejano se puedan garantizar tazas denacimiento cercanas al 100%.

BIBLIOGRAFIA

[1] J.P. Colman, Transferencia de calor, 8 ed, McGraw Hill 1998 pp 1-8

[2] Jose M. Angulo Usastegui, MicrocontroladoresPIC, Diseo y aplicaciones, segunda parte; 2ed, Mc Graw Hill, 2000, pp129-144

[3] Kenneth Wark, Termodinmica, 6a ed, McGraw Hill pp965

[4] Rober L . Norton, Diseo de Maquinaria, McGraw Hill, 1995

[5] Incumatic Mxico, www.incumatic.com,consultada en enero del 2007

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