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UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE HIDALGOLicenciatura en Ingenierıa en Electronica y Telecomunicaciones.

Deteccion de fugas de agua en valvulas de las redesdomesticas de abastecimiento de agua potable

empleando un rotametro.

Robotica

9◦ Semestre

Tizayuca, Hidalgo, Mexico, 2012

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Agradecimientos

A mi madre Iris Rosalba Pelaez Becerril, quien es la persona que mas amo y quegracias a sus desvelos, preocupaciones, reganos, su infinito amor y apoyo he podidollegar hasta este punto de mi vida y terminar mi carrera profesional. Ella fue quienme enseno a ser un hombre ejemplar, aunque a veces un golpe no fue la excepcion

para aprender de ella. Gracias MAMA.

A mi padre Ricardo Morales Cervantes, que gracias a el pude llegar hasta estepunto de mi vida, por su incuestionable apoyo, por la buena educacion y culturaque de el tuve que aprender. Por los consejos y todas las palabras de aliento queme dedico, por el apoyo en esos momentos en los que no sabia que hacer ante una

situacion. Gracias PAPA.

A mi hermana Sandra Lucero Morales Pelaez, porque ademas de ser una peque-na rebelde, es una gran mujer y por quien darıa lo que fuera por que se encuentrebien, ademas de ser una gran inspiracion para mi realizacion personal.

A mis companeritos de especialidad, el Chabe, la Wicha, el Juanjo y la Mija, porquepase increıbles e inolvidables momentos junto a ellos, ademas de que me brindaronsu apoyo y me ayudaron a salir de apuros. Ellos tambien fueron mis companeros enesta etapa de mi vida.

A mi chica, por que igual estuvo tras de mi, diciendome que no jugara con milaptop y que trabajara en el desarrollo de esta tesis. Gracias Flaquita.

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Resumen

La problematica actual del agua es tan preocupante, las fugas de agua se presen-tan en cualquier momento, que instituciones del sector privado, desarrollan sistemaspara resolver el problema. Las investigaciones para el desarrollo de sistemas, siguensiendo de gran importancia, sin descartar los trabajos de reparacion en las tuberıaspor parte del sector publico.

Los sistemas actuales para la deteccion de fugas de agua, son sistemas desarro-llados por empresas del sector privado dedicadas a resolver este problema, el sectorpublico influye en menor manera, ya que las medidas que suelen tomar, solo sonllamadas de atencion a los ciudadanos. Muchas veces, se hace caso omiso de estasalertas.

Utilizar un sistema, de los actualmente desarrollados resulta costoso, y solo podrıaser util para ser implementado en lugares donde se encuentren caudales de lıquidosmuy grandes, como la industria cervecera, de fundicion de acero, productora de cau-cho sintetico, de papel, lana, azucar; en cambio utilizar un sistema mas rudimentario,por llamarlo de esta forma, que sea amigable y facil de comprender, no se encuentratan facilmente para ser utilizado en este caso, en una casa-hogar.

Este trabajo comienza con una descripcion de la necesidad de realizar una deteccionfugas en las redes de abastecimiento domestico de agua potable, con el fin de reduciren medida el gasto de agua. Se expone informacion referente a Rotametros, PIC16F877A, LCD 16x2, TRIAC, Optoacopladores.

Se disena un circuito capaz de emitir una alarma momentos despues de presen-tarse una fuga. Se trabaja con software para el desarrollo del circuito a emplear. Lasinterfaces con las cuales se trabaja son amigables para el desarrollo de la circuiterıadel sistema.

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Abstract

The current problems of water is so worrying, water leaks occur at any time, thatprivate sector institutions, develop systems to solve the problem. Research for thedevelopment of systems, remain of great importance, without discarding the repairwork on the pipes by the public sector.

Current systems for detecting leaks, are systems developed by private sector com-panies dedicated to solving this problem, the public sector having less so, and thatmeasures are taken, they are just calls attention to citizens. Often ignored thesewarnings.

Using a system of currently developed is expensive, and could only be useful fordeployments in places where there are large flows of liquids, such as brewing, steelcasting, production of synthetic rubber, paper, wool, sugar, but instead use a morerudimentary, to call it this way, that is friendly and easy to understand, is not soeasily to be used in this case, in a nursing home.

This article begins with a description of the need for leak detection in networksof domestic drinking water supply, in order to reduce water usage measure.

Disclosed information about Rotameters, PIC 16F877A, LCD 16x2, TRIAC Op-tocouplers. Designing a circuit capable of emitting an alarm moments after a leakoccur. It works with software development circuit to use.

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Indice general

Portada I

Agradecimientos III

Resumen V

Abstract VII

Indice general IX

Indice de figuras XI

Indice de tablas XIII

Introduccion XV

Planteamiento XXIII

1. Analisis de las redes domesticas de distribucion de agua, proble-matica del agua y antecedentes de trabajos anteriores 11.1. Analisis de las redes domesticas de abastecimiento de agua potable . 11.2. Problematica del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1. Beneficios de la localizacion de fugas y reparacion . . . . . . . 71.3. Trabajos anteriores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 112.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2. Rotametro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3. Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. Arquitectura interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.2. El procesador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.3. Programacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.4. Recursos y perifericos auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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x INDICE GENERAL

2.4. PIC 16F877a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.1. Caracterısticas que hacen al PIC 16F877a destacarse . . . . . 172.4.2. El encapsulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.3. Caracterısticas mas importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5. Visualizador LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.1. Configuracion de los Pines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.6. Optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6.1. Alarma visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.7. Sensor optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.7.1. Fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.7.2. Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.7.3. Lentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.7.4. Configuracion en Transmision directa o barrera . . . . . . . . 25

3. Propuesta y diseno del circuito para el desarrollo del sistema 273.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2. Descripcion del diseno de la circuiterıa propuesta . . . . . . . . . . . 273.3. Bloques del sistema propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4. Prototito simulador para el sistema desarrollado . . . . . . . . . . . . 29

4. Pruebas de funcionamiento y Conclusiones 314.1. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

A. Glosario 33

B. Acronimos y Abreviaturas 37

C. Interfaz para la programacion 39

Bibliografıa 43

Indice de figuras

1.1. Estructura interna de una Valvula o llave de agua. . . . . . . . . . . 21.2. Fuga en tuberıa expuesta a la interperie. . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Fuga en una valvula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4. Fuga en una valvula a traves de la tuerca del estopero, estando esta

en uso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5. Distribucion del agua en el planeta. [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6. Medicion en litros de fugas comunes. [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . 51.7. Clasificacion de los consumos en un abastecimiento de agua. [10]. . . 6

2.1. Rotametro comercial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2. Rotametro real y simplificado. Fuerzas actuantes sobre el flotador. [7]. 132.3. Diagrama en bloques de un Microcontrolador. [11]. . . . . . . . . . . 142.4. La Unidad de Control de la UCP recibe las instrucciones de la me-

moria, las interpreta y gobierna al Camino de Datos para realizar lasoperaciones correspondientes con los datos. [2]. . . . . . . . . . . . . . 15

2.5. La arquitectura Harvard, habitual en los microcontroladores, disponede memorias independientes para datos e instrucciones. [2]. . . . . . . 16

2.6. El encapsulado de un PIC 16F877A. [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . 182.7. Encapsulado tıpico con vıas de transmisıon luminosa. [14]. . . . . . . 222.8. Corte de un optoacoplador. [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.9. Optoacoplador driver para TRIAC. [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . 232.10. Foto emisor. [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.11. Longitud de onda. [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.12. Lentes. [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.13. Modo Transmision Directa. [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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xii INDICE DE FIGURAS

Indice de tablas

1. Principales CAUSAS y EFECTOS de una fuga . . . . . . . . . . . . xvi

1.1. Aceptabilidad y coste de diferentes politicas . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1. Caractrısticas PIC 16F877A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2. Configuracion del LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3. Secuencia de inicio del LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

xiii

xiv INDICE DE TABLAS

Introduccion

El crecimiento de la poblacion y el aumento del consumo de agua por personase refleja en la demanda de agua dulce que se eleva enormemente lo cual originaproblemas en el abastecimiento, tema que cada dıa ocupa mas la atencion de cien-tıficos, tecnicos, polıticos, y de la poblacion en general, ya que los suministros deagua dulce son lımitados y ademas se encuentran en peligro de contaminacion.

El incesante crecimiento de la poblacion y el enorme consumo de agua por per-sona, se ve reflejado en la demanda de agua dulce que se eleva enormemente lo cualorigina problemas en el abastecimiento de agua, la escasez del vital lıquido obliga arepetir consecutivamente llamadas a la moderacion en el consumo por parte de lapoblacion a nivel mundial.

Se debe tener conocimiento cuantitativo del uso del agua, esto depende del con-sumo del cual se hace uso, este consumo puede ser industrial, domestico, comercial,de instituciones, publico y mantenimiento, igualmente se debe tener conocimientode cuanta agua es medida y no medida, ya que esto repercute en la cuestion econo-mica. Las fugas presentadas en el sistema de abastecimiento de agua subterraneo,se presentan en grandes rupturas, conexiones ilegales y perdidas en depositos.

Las tuberıas antiguas y pobremente construidas, el inadecuado control de la co-rrosion, el mantenimiento pobre de valvulas y el dano mecanico son algunos de losfactores contribuyentes a las fugas. Un efecto de la fuga de agua, aparte de la perdidade los recursos de agua, es la reduccion de la presion en los sistemas de abasteci-miento. El elevar las presiones para compensar tales perdidas incrementa el consumode energıa. Este aumento en presion empeora las fugas y tiene un impacto negativosobre el medioambiente.

En la tabla siguiente se muestra las principales causas y efectos de las fugas deagua.

xv

xvi INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Principales CAUSAS y EFECTOS de una fugaCAUSAS EFECTOS

Corrosion en la tuberıa Un mayor pago del uso delservicio

Oxidacion en la tuberıa Reparaciones y en otro caso,el cambio de la valvula

Desgaste natural de la tuberıa Humedad en paredes, pisosy posiblemente en techo del hogar

Forzar las valvulas a abrir o cerrar Erosion del terrenoVibraciones por el trafico Estancamiento de agua

La calidad de la instalacioninicial de los componentes del

sistema de distribucionTemperatura, presion, agresividad

del agua

Calculo de Agua no ContabilizadaAgua no contabilizada es la diferencia entre agua producida (medida en la planta detratamiento) y el uso medido (ej. Ventas mas agua medida que no produjo ingresos).Agua no contabilizada puede ser expresada en millones de galones por dıa (mgd)pero es usualmente discutida como porcentaje de produccion de agua:

Agua no contabilizada ( %) =(Produccion− uso medido) x 100 %

(Produccion)

La aplicacion de los conocimientos adquiridos a traves de la preparacion profesional,deben tener como resultado dar una solucion efectiva a algun problema que afecteel dıa a dıa de la sociedad, o problemas que influyan en gran medida en el sectorempresarial.

Desarrollar sistemas amigables, de facil acceso economico a casi toda la poblacion,para dar solucion a algun problema que le afecte sus actividades diarias, cualquieraque sea esta, no resulta tan factible actualmente. La tecnologıa resulta costosa, ypor mas que se requiera o se necesite desarrollar un sistema barato, actualmente noes posible.

En el presente trabajo se propone la solucion a un problema de fuerte impactosocial. Ya que esto conlleva varios problemas a los usuarios de las tomas de agua, locual se trata en este texto.

Aplicando tecnologıa de microcontroladores y tambien sobre el uso adecuado de

INDICE DE TABLAS xvii

diferentes tipos de dispositivos electricos y electronicos, se obtuvo el diseno de unsistema electronico, el cual tiene la capacidad de realizar la deteccion de fugas deagua en las valvulas de las redes de distribucion domesticas.

xviii INDICE DE TABLAS

Justificacion

En la industria, en el sector productivo y comercial, instituciones privadas ypublicas, es posible encontrar sistemas capaces de realizar la deteccion y localiza-cion de fugas de lıquidos y gases. Empresas como FugaTec, de origen espanol, sededican a disenar, construir e implementar sistemas para la deteccion de fugas pordiferentes metodos. Los metodos de deteccion y localizacion son variados. Sistemasactuales para la deteccion de fugas de agua resultan en altos costos. La instalacion delos sistemas, deben de ser los apropiados para que efectuen correctamente su trabajo.

Emplear microcontroladores para este tipo de encomienda, resulta menos costoso,son mas flexibles, y no se necesita un monitoreo en tiempo real de alguna anomalıaque se presente. La variable principal que se manipula es de tipo digital, las variablesde salida son igualmente digitales.

Con el desarrollo de este trabajo se busca beneficiar a la poblacion, implementandoun sistema capaz de realizar la deteccion de fugas de agua, ya que actualmente noexiste un sistema que sea capaz de realizar dicho trabajo sin la implementacion deuna HMI.

xix

xx INDICE DE TABLAS

Objetivos

Objetivo general

1. Disenar un sistema capaz de realizar la deteccion de fugas de agua en valvulasde las redes de abastecimiento de agua potable domestico, utilizando un rota-metro y sensores opticos, para reducir el gasto innecesario de agua debido afugas.

Objetivos especıficos

1. Analizar las redes domesticas de distribucion de abastecimiento de agua pota-ble para determinar el lugar donde colocar el sistema.

2. Describir las caracterısticas del rotametro a usar y los componentes a utilizarpara el diseno del circuito electronico.

3. Disenar un circuito electronico capaz de emitir una alarma sonora momentosdespues de presentarse alguna fuga.

4. Implementar todos los sistemas en conjunto mediante un prototipo fısico.

5. Realizar pruebas de funcionamiento y conclusiones.

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xxii INDICE DE TABLAS

Planteamiento del problema

Las fugas de agua representan un problema de gran impacto social, por lo que esconveniente y necesario desarrollar un sistema para dar solucion a esta problematica.

Por anos, en cualquier lugar del planeta, en las redes de distribucion de agua pota-ble se presentan las indeseables fugas, las rupturas de las tuberıas por el tiempo deservicio son el mayor problema que se presenta, las causas son varias. Haciendo unainvestigacion, las principales causas por las cuales una fuga hace presencia, es por elmaterial, composicion, edad y metodos de ensamblaje del sistema de distribucion.Condiciones externas como corriente electrica perdida, contacto con otras estructu-ras y tension por vibraciones del trafico, cargas heladas y tierra congelada alrededorde las tuberıas contribuyen a la aparicion de fugas.

A traves de un analisis para desarrollar un sistema que sea capaz de dar solucion aeste problema, ademas de beneficiar a la poblacion, se obtuvo la propuesta que sedescribira en los capıtulos posteriores.

El diseno propuesto detecta cuando se presenta una fuga en una valvula, ya seaque exista un flujo por goteo, o que se presente un flujo de agua constante, para estose emplea un rotametro y sensores opticos. Cuando se presenta una fuga, el nivel deagua en el rotametro comenzara a bajar y por consiguiente se emitira una alarmasonora y una visual, ademas de visualizarse un mensaje en un LCD.

xxiii

xxiv INDICE DE TABLAS

Capıtulo 1

Analisis de las redes domesticas dedistribucion de agua, problematicadel agua y antecedentes detrabajos anteriores

1.1. Analisis de las redes domesticas de abasteci-

miento de agua potable

El analisis de la red de abastecimiento tiene un significado cualitativo y unocuantitativo, ya que el analisis cualitativo determina propiamente la calidad de lainstalacion, esto se hace mencionando los lugares en los cuales es mas comun el usode una valvula, y por el analisis cuantitativo, se hace mencion de cuantas valvulastiene la red de abastecimiento.

En cada uno de los hogares, la instalacion de la red de abastecimiento de aguapotable es muy diferente, algunos podrıan tener su instalacion oculta y otros la ten-drıan a la vista. Igualmente depende completamente de si el hogar es una casa o undepartamento.

Es importante ubicar bien las valvulas en las cuales se hara uso del sistema, porel hecho de que no todas sufren el mismo desgaste, esto se refiere a que una valvulasituada en el deposito de agua comunmente llamado pila o pileta sufre un mayordesgaste con respecto a una situada en el jardın de la casa (en caso de que la casacuente con uno), por ejemplo. Si el sistema pudiera ser implementado en departa-mentos, es posible que se someta a modificaciones, igualmente como se mencionoen el parrafo anterior, es necesario ubicar la tuberıa, para especificar si el sistema

1

21.1. Analisis de las redes domesticas de abastecimiento de agua potable

tendrıa una facil colocacion o no.

A continuacion se ilustra la estructura interna de una valvula o llave de agua yse muestran imagenes de fugas de agua en tuberıas a la interperie y en en valvulasde agua.

Figura 1.1: Estructura interna de una Valvula o llave de agua.

Figura 1.2: Fuga en tuberıa expuesta a la interperie.

1. Analisis de las redes domesticas de distribucion de agua,problematica del agua y antecedentes de trabajos anteriores 3

Figura 1.3: Fuga en una valvula.

Figura 1.4: Fuga en una valvula a traves de la tuerca del estopero, estando esta enuso.

4 1.2. Problematica del agua

1.2. Problematica del agua

Con el crecimiento de la poblacion mundial y el aumento en el consumo de aguapor persona, la demanda de agua dulce se esta elevando enormemente y ha originadoserios problemas en tanto al abastecimiento de agua, lo que se ha convertido en ungran problema en la actualidad, tema que cada dıa ocupa mas la atencion de cien-tıficos, tecnicos, polıticos y en general, de muchos de los habitantes del planeta, yaque los suministros de agua dulce son limitados y ademas se encuentra la amenazade la contaminacion.

La escasez de este vital lıquido obliga a repetir consecutivamente llamadas a lamoderacion de consumo por parte de la poblacion a nivel mundial, ya que sin sucolaboracion los esfuerzos tecnicos que llevan a cabo algunas organizaciones resulta-rıan insuficientes. Solo muy poca agua es utilizada para el consumo del hombre, yaque: el 97 % es agua de mar, y solo el 3 restante es agua dulce (ver figura 1.5) encon-trandose en rıos, lagos y mantos subterraneos. Ademas el agua tal como se encuentraen la naturaleza, requiere ser tratada para el consumo humano, para eliminar laspartıculas y organismos que pueden ser daninos para la salud, y finalmente debe serdistribuida a traves de tuberıas hasta los hogares para que pueda ser utilizada sinriesgo alguno. Este trabajo enfoca su atencion particularmente en el tema de fugas

Figura 1.5: Distribucion del agua en el planeta. [10].

de agua, ya que las malas instalaciones y el mal uso de este vital lıquido en nuestravida cotidiana, ocasionan serios problemas en el abastecimiento y distribucion delmismo. Las principales ciudades del paıs como Monterrey (acueductos de Linares y

1. Analisis de las redes domesticas de distribucion de agua,problematica del agua y antecedentes de trabajos anteriores 5

El Cuchillo), Tijuana (acueducto de Rıo Colorado-Tijuana), Guadalajara (acueduc-to de Chapala-Guadalajara) y la Ciudad de Mexico (sistema Cutzamala), mas del40 % del suministro de agua potable se pierde por fugas en la red de distribucion, yaque la mayorıa de las que fueron beneficiadas con grandes acueductos en los 80s y90s, presentan o presentaran un deficit en el abastecimiento, debido a que su disenofue realizado para satisfacer las necesidades de sus poblaciones en un lapso de 20 a 25anos. Por lo tanto, es urgente la necesidad de mejorar radicalmente los suministrosactuales de agua para convertirlos en sustentables.

El volumen de agua que se gasta en los hogares crece ano con ano, por lo tantoalgunas medidas que se pueden emprender para disminuir la cantidad de esta, sonpor ejemplo la instalacion de dispositivos economizadores o un cambio de habitos.Las fugas de agua en los suministros de los hogares normalmente son causadas pordeterioros de la misma red de tuberıas, lugares donde se da muy poco o nulo man-tenimiento, y donde la tuberıa es susceptible a fracturas que pueden iniciar un grandesperdicio, el problema principal no es el tamano de la fuga en sı, sino eltiempo que el usuario de la toma tarda en detectar esta fuga, en la figura1.6 se ilustran los tipos de fugas mas frecuentes que suceden dentro de un hogar yla cantidad de litros desperdiciados al dıa y en un mes.

Figura 1.6: Medicion en litros de fugas comunes. [10].

De las muchas opciones disponibles para la conservacion del agua, la deteccion defugas es un primer paso logico. Sla empresa de servicio hace lo que puede paraconservar el agua, los consumidores tenderan a ser mas cooperadores en otros pro-gramas de conservacion, muchos de los cuales dependen de esfuerzos individuales.Un programa de deteccion de fugas puede ser altamente visible, animando a las per-sonas a pensar acerca de la conservacion del agua antes que se les pida tomar accionpara reducir sus propios niveles de consumo de agua. La deteccion de agua es unaoportunidad para mejorar servicios existentes para los consumidores y extender losservicios a la region no servida.

6 1.2. Problematica del agua

En general, 10 % a 20 % de aceptacion de agua no contabilizada es normal. Perouna perdida de mA¡s de 20 % requiere una atencion primordial y acciones correcti-vas. Sin embargo, avances en la tecnologıa y experiencia pueden hacer posible unareduccion de perdidas y agua no contabilizada por debajo del 10 %.

Mientras que los porcentajes son buenos como guıas de manejo, una medida massignificativa es el volumen del agua perdida. Una vez que el volumen es conocido, losgastos de las perdidas pueden ser determinados y la rentabilidad de la implementa-cion de acciones correctivas puede ser entonces determinada.

En la figura 1.7 se muestra la clasificacion de los consumos en un abastecimien-to de agua.

Figura 1.7: Clasificacion de los consumos en un abastecimiento de agua. [10].

Las empresas de servicio no pueden seguir tolerando ineficiencias en los sistemasde distribucion de agua y la resultante perdida de ganancias asociada a las fugassubterraneas de los sistemas de agua. Incrementar el bombeo, los tratamientos y loscostos operativos hace que estas perdidas sean prohibitivas. Para combatir la perdi-da de agua, muchas empresas se encuentran desarrollando metodos para detectar,localizar y corregir fugas.

1. Analisis de las redes domesticas de distribucion de agua,problematica del agua y antecedentes de trabajos anteriores 7

1.2.1. Beneficios de la localizacion de fugas y reparacion

Los beneficios economicos de la deteccion de fugas y su reparacion pueden serestimados facilmente. Para una fuga individual, la cantidad perdida en un perıodode tiempo determinado, multiplicado por el valor de re-venta de dicha agua darala cantidad en dolares. Recordar el factor de los costos de desarrollo de nuevosabastecimientos de agua y otros costos ocultos. Algunos otros beneficios potencialesde la deteccion de fugas y su reparacion que son difıciles de cuantificar incluyen:

1. Incremento en el conocimiento acerca del sistema de distribucion, el cual puedeser utilizado, por ejemplo, para responder mas rapido a las emergencias ydeterminar prioridades para el reemplazo o programas de rehabilitacion.

2. Uso mas eficiente de las fuentes existentes y extension retrasada de la capaci-dad.

3. Mejora de las relaciones con ambos, el publico y los empleados de la empresa.

4. Mejora de la calidad del medioambiente.

5. Incremento de la capacidad contra incendios.

6. Reduccion de dano a la propiedad, reduccion de responsabilidad legal y seguroreducido debido a las pocas rupturas de las tuberıas.

7. Reduccion del riesgo de contaminacion.

Cuales son los principales problemas con respecto al agua?

1. Sobreexplotacion:Hoy en dıa, se estima una sobreexplotacion del acuıfero de la Ciudad de Mexicodel 35 %. Para obtener agua, es necesario realizar perforaciones cada vez masprofundas.La urbanizacion y la sobreexplotacion del manto acuıfero provocan el fenomenodel hundimiento. Los hundimientos regionales son de 15 cm por ano, aunquevarıan dependiendo de la zona, alcanzando, en algunas regiones los 40 cmanuales. Esto trae consigo problemas a la infraestructura hidraulica, generandofracturas en las tuberıas de agua potable, lo que ocasiona fugas.

2. Contaminacion:Existen zonas del manto acuıfero, como la region sureste de la Ciudad, que porsus caracterısticas naturales presentan mala calidad de agua. Estos problemaspodrıan aumentar si no se controlan las descargas de contaminantes al suelo,

8 1.3. Trabajos anteriores

que provocan perdida de vegetacion, y filtracion de sustancias nocivas a lascorrientes de agua y a los mantos acuıferos).

Acciones sociales para el uso eficiente del Agua:

1. Reportar fugas en la vıa publica y deficiencias en el suministro.

2. Reportar la falta de accesorios hidraulicos en la vıa publica.

3. Reportar lluvias de fuerte intensidad.

4. No arrojar basura en la vıa publica o coladeras.

5. No arrojar sustancias toxicas al drenaje.

6. No contaminar rıos o manantiales.

7. No contaminar los grandes cuerpos receptores de agua.

8. Promover el tratamiento y utilizacion de agua residual tratada.

9. Promover el pago justo del servicio.

10. No construir ni asentarse en zonas de alto riesgo.

1.3. Trabajos anteriores

El uso del agua a traves del tiempo, dependiendo del uso al cual se destina, sinomitir las epocas de restriccion, debe ser un objetivo permanente. Medidas tomadasen la conciencizacion de las personas de toda la sociedad y la aplicacion se basan enuna polıtica racional y debidamente justificada. Algunas estrategias empleadas son:

1. Campanas de informacion y educacion.

2. Polıticas de persuasion de los usuarios para regular y reducir su consumo.

3. Racionamiento del volumen disponible (mediante porcentaje del uso normal).

4. Racionamiento del recurso (mediante limitacion superior del consumo).

5. Restricciones de suministro (mediante interrupcion durante un periodo).

6. Modificacion de las acometidas e instalaciones de suministro.

7. Prohibicion de derroches y despilfarras de consumo de agua.

8. Incorporacion de contadores, facturando a precio constante el m3

1. Analisis de las redes domesticas de distribucion de agua,problematica del agua y antecedentes de trabajos anteriores 9

9. Modificacion de la tarifa, introduciendo bonificacion por bajo consumo.

10. Introduccion de una tarifa progresiva, estructurada por bloques de consumo.

11. Incorporacion de una tarifa estacional para reducir mas el consumo en verano.

12. Incentivos financieros para invertir en mejoras de las instalaciones interiores.

13. Penalizaciones economicas por el uso de instalaciones y aparatos poco eficien-tes.

Para tener una valoracion orientativa del grado de aceptacion de las mismas porparte de los consumidores (de O a 10 puntos), de su coste de implantacion y desu eficacia relativa, se ha confeccionado la siguiente tabla-resumen en base a lasexperiencias realizadas segun una encuesta realizada.

Tabla 1.1: Aceptabilidad y coste de diferentes politicasEstrategia Aceptacion Coste

1 8.9 Bajo2 8.2 Bajo3 5.1 Bajo4 5.35 Bajo5 7.4 Medio6 7.1 Alto7 7.9 Medio8 7.0 Medio9 4.2 Medio10 6.35 Medio11 5.4 Medio12 7.93 Alto13 5.35 Bajo

10 1.3. Trabajos anteriores

Capıtulo 2

Descripcion de los elementosusados para el diseno del sistema

2.1. Introduccion

En este capıtulo se habla acerca de los componentes mas importantes usados enel desarrollo del sistema. El uso de un rotametro para la medicion directa de caudal,la implementacion y programacion de un PIC 16F877A, asi mismo la utilidad de unLCD (Liquid Crystal Display) 16x2 para la visualizacion de mensajes. La facilidadde usar e implementar un sensor optico para obtener una senal electrica en la lecturade la medicion de caudal por medio del rotametro.

2.2. Rotametro

Los rotametros o flujometros son instrumentos utilizados para medir caudales,tanto de lıquidos como de gases que trabajan con un salto de presion constante.Se basan en la medicion del desplazamiento vertical de un elemento sensible, cuyaposicion de equilibrio depende del caudal circulante que conduce simultaneamente,a un cambio en el area del orificio de pasaje del fluido, de tal modo que la diferenciade presiones que actuan sobre el elemento movil permanece practicamente constante.

La fuerza equilibrante o antagonica en este tipo de medidores lo constituye la fuerzade gravedad que actua sobre el elemento sensible construido por lo general de formacilındrica con un disco en su extremo, y provisto de orificios laterales por dondecircula fluido que inducen una rotacion alrededor de su eje para propositos de esta-bilidad y centrado. Existen tambien elementos sensibles de forma esferica, utilizadospor lo general para medicion de bajos caudales que carecen de rotacion.

11

12 2.2. Rotametro

El rotametro en su forma mas simple consta de un tubo de vidrio de baja coni-cidad, en cuyo interior se encuentra el elemento sensible al caudal que circula por eltubo, al cual se denomina flotador. Bajo la accion de la corriente de lıquido o gas elflotador se desplaza verticalmente, e indica sobre una escala graduada directamenteel caudal circulante, o un altura que sirve como dato de entrada para determinar elcaudal en una curva o grafico de calibracion que debe obtenerse experimentalmente.

El principio de funcionamiento de los rotametros se basa en el equilibrio de fuerzasque actuan sobre el flotador. En efecto, la corriente fluida que se dirige de abajohacia arriba a traves del tubo conico del rotametro, provoca la elevacion del flotadorhasta una altura en que el area anular comprendido entre las paredes del tubo y elcuerpo del flotador, adquiere una dimension tal que las fuerzas que actuan sobre elmismo se equilibran, y el flotador se mantiene estable a una altura que correspondea un determinado valor de caudal circulante.

Las fuerzas que actan sobre el flotador son tres y de naturaleza distinta:

Fuerza de origen aerodinamico o resistencia aerodinamica, (D) actuando haciaarriba.

Fuerza de Arquımedes o empuje hidrostatico, (E) tambien actuando haciaarriba.

Fuerza gravitatoria o peso (W) actuando hacia abajo.

En condiciones de estabilidad, el flotador se mantiene a una altura constante, y elequilibrio de fuerzas es tal que la suma de la resistencia aerodinamica D y el empujehidrostatico E equilibran al peso W, pudiendo plantearse la siguiente ecuacion deequilibrio: ∑

Fv = D + E −W = 0 =⇒ D + E = W (2.1)

En la figura 2.1 se ilustra un rotametro comercial, en la figura 2.2 se ilustra elrotametro real, simplificado y las fuerzas que actuan sobre el flotador.

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 13

Figura 2.1: Rotametro comercial.

Figura 2.2: Rotametro real y simplificado. Fuerzas actuantes sobre el flotador. [7].

2.3. Microcontrolador

Que es un Microcontrolador?Un microcontrolador es un pequeno sistema digital programable de proposito espe-cıfico integrado en un chip especializado en el procesado de control. Hay una gran

14 2.3. Microcontrolador

diversidad de microcontroladores para cubrir la amplia gama de aplicaciones y re-querimientos de coste, consumo y espacio que pueden soportar.

Es un circuito integrado programable que acepta un listado de instrucciones y contie-ne todos los componentes de un computador. Se utilizan para realizar determinadastareas o para gobernar dispositivos, debido a su reducido tamano, suele ir incorpo-rado en el propio dispositivo que gobierna. El microcontrolador es un dispositivodedicado. En su memoria solo reside un programa destinado a gobernar una apli-cacion determinada, sus lıneas de entradas y salidas (I/O) permiten la conexion desensores, relay’s, motores, etc. Una vez programado y configurado el microcontrola-dor solamente sirve para gobernar la tarea asignada. En la figura 2.3 se muestra eldiagrama de bloques de un microcontrolador.

Figura 2.3: Diagrama en bloques de un Microcontrolador. [11].

2.3.1. Arquitectura interna

Las partes principales que existen en un microcontrolador son cinco.

1. Procesador o UCP.

2. Memoria para las instrucciones y para los datos.

3. Lıneas de E/S para la comunicacion con el exterior.

4. Perifericos, como temporizadores, conversores AD, comparadores analogicos,etc.

5. Recursos auxiliares, como Perro Guardian, circuito de reloj, modo de funcio-namiento con bajo consumo, etc.

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 15

2.3.2. El procesador

La funcion del procesador es ejecutar la secuencia de instrucciones del progra-ma que esta almacenado en memoria. Cada procesador tiene su propio conjunto deinstrucciones(codigo maquina) que conforma el lenguaje con el que se escribira elprograma que se quiere ejecutar.

Es la parte mas importante del computador y se compone de dos grandes bloques:

1. Unidad de Control, que se encarga de interpretar el tipo de instruccion que sedebe realizar.

2. Camino de Datos, que realiza las operaciones con los datos que implican lasinstrucciones.

La Unidad de Control recibe las instrucciones en formato binario o maquinadesde la memoria que almacena el programa y genera las ordenes que necesita elCamino de Datos para efectuarlas, recibiendo datos de entrada y generando otrosde salida que se almacenan en la memoria de datos (fig. 2.4).

Figura 2.4: La Unidad de Control de la UCP recibe las instrucciones de la me-moria, las interpreta y gobierna al Camino de Datos para realizar las operacionescorrespondientes con los datos. [2].

La estructura del procesador mostrado en la figura 2.5 corresponde a la propuestapor Von Neumann y tiene el inconveniente de guardar en la misma memoria las ins-trucciones y los datos. Con objeto de poder acceder simultaneamente a instruccionesy datos y, ademas, adaptar las caracterısticas de las memorias a sus contenidos seutiliza la arquitectura Hardvard, que dispone de memorias independientes para datose instrucciones (fig. 2.5).

16 2.3. Microcontrolador

Figura 2.5: La arquitectura Harvard, habitual en los microcontroladores, dispone dememorias independientes para datos e instrucciones. [2].

2.3.3. Programacion

El codigo maquina es idoneo para el hardware del microcontrolador pero com-pletamente inadecuado para el usuario que tenga que programarlo. Para resolvereste problema, el programador escribe su programa en un lenguaje mas apropiado asu forma de expresarse y luego hace uso de un traductor para convertirlo al codigomaquina del microcontrolador. En microcontroladores se usa fundamentalmente ellenguaje ensamblador y el lenguaje C.

El lenguaje ensamblador proporciona un lenguaje simbolico del codigo maquinaaunque no deja de ser un lenguaje de bajo nivel y especifico de un microcontrola-dor. El lenguaje C es un lenguaje de mas alto nivel, menos eficiente que el lenguajeensamblador pero mas facil de programar e independiente del procesador utilizado.

2.3.4. Recursos y perifericos auxiliares

Segun las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de microcon-trolador, le incorpora diversos elementos que refuerzan y potencian su empleo. Entrelos recursos mas comunes en casi todos los modelos se citan:

Circuito de reloj, que genera los impulsos que sincronizan el funcionamientode todo el sistema.

Temporizadores, destinados a controlar tiempos y retardos.

Perro Guardian (watchdog), que vigila el programa y lo reinicializa cuando sebloquea.

Conversores A/D y D/A.

Comparadores analogicos, para analizar las senales analogicas.

Sistemas de proteccion ante fallos de la alimentacion.

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 17

Modos de funcionamiento de bajo consumo.

Protocolos de comunicacion, como I2C, USART, bus CAN, USB, etc.

2.4. PIC 16F877a

EL Pic16F877 pertenece a la gama media de Microcontroladores, donde encon-traremos modelos desde 18 hasta 68 Pines, su repertorio de instrucciones es de 35,de 14 bits cada una (Todas las instrucciones son de un solo ciclo con excepcion delas ramificaciones del programa que son de dos ciclos). Disponen de interrupcionesy una pila de 8 niveles que permite el anidamiento de subrutinas. Se le puede en-contrar en un tipo de encapsulado de 40 pines PDIP el cual es el mas utilizado parasu utilizacion didactica en proyectos escolares.Cuenta con una arquitectura Harvarden la que son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos ycada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso.

2.4.1. Caracterısticas que hacen al PIC 16F877a destacarse

1. Soporte modo de conexion serial, posee dos pines para ello.

2. Amplia memoria para datos y programa.

3. Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denominaFLASH de 8K; este tipo de memoria se puede borrar electronicamente (es-to corresponde a la F en el modelo).

4. Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesa-rias para su manejo.

5. En su arquitectura ademas incorporan:

a) 3 temporizadores.

b) 4 puertos I/O.

c) Comunicacion serie y paralelo: USART, PSP.

d) Bus I2C.

e) Modulo convertidor Analogico a Digital A/D.

f ) Modulo comparador con un voltaje de referencia.

2.4.2. El encapsulado

En la figura 2.6 se muestra la configuracion de pines con las que cuenta el PIC.

18 2.4. PIC 16F877a

Figura 2.6: El encapsulado de un PIC 16F877A. [11].

2.4.3. Caracterısticas mas importantes

Tabla 2.1: Caractrısticas PIC 16F877ACARACTERISTICAS 16F877A

Frecuencia Maxima DX-20MHzMemoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB

Posicion RAM de datos 368Posiciones EEPROM de datos 256

Puertos E/S A,B,C,D,ENumero de pines 40

Interrupciones 15Timers 3

Modulos CCP 2Comunicaciones serie MSSP, USARTConexiones paralelo PSP

Modulo Analogico a digital de 10 bits 8 canales de entradaJuego de instrucciones 35 instrucciones

Longitud de la instruccion 14 bitsArquitectura Harvard

CPU RISCModulos Comparador/comparador/PWM 2

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 19

2.5. Visualizador LCD

Las pantallas de cristal lıquido LCD o display LCD para mensajes (Liquid CristalDisplay) tienen la capacidad de mostrar cualquier caracter alfanumerico, permitien-do representar la informacion que genera cualquier equipo electronico de una formafacıl y economica.

La pantalla consta de una matriz de caracteres (normalmente de 5x7 o 5x8 pun-tos) distribuidos en una, dos, tres o cuatro lıneas de 16 hasta 40 caracteres cadalınea.

El proceso de visualizacion es gobernado por un microcontrolador incorporado ala pantalla, siendo el Hitachi 44780 el modelo de controlador mas utilizado.

Las caracterısticas generales de un modulo LCD 16x2 son las siguientes:

1. Consumo muy reducido, del orden de 7.5mW.

2. Pantalla de caracteres ASCII, ademas de los caracteres japoneses Kanji, ca-racteres griegos y sımbolos matematicos.

3. Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o a la derecha.

4. Memoria de 40 caracteres por lınea de pantalla, visualizandose 16 caracterespor lınea.

5. Movimiento del cursor y cambio de su aspecto.

6. Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres.

7. Pueden ser gobernados de 2 formas principales:

a) Conexion con bus de 4 bits

b) Conexion con bus de 8 bits

2.5.1. Configuracion de los Pines

A continuacion se presenta la descripcion de senales empleadas por el moduloLCD ası como el numero de pin al que corresponden.

El modulo LCD ejecuta automaticamente una secuencia de inicio interna en elinstante de aplicarle la tension de alimentacion si se cumplen los requisitos de ali-mentacion expuestos en su manual. Dichos requisitos consisten en que el tiempo quetarde en estabilizarse la tension desde 0.2 V hasta los 4.5V mınimos necesario sea

20 2.5. Visualizador LCD

Tabla 2.2: Configuracion del LCD

PIN N◦ SIMBOLO DESCRIPCION1 VSS Patilla de tierra de alimentacion2 VDD Patilla de alimentacion a 5 V3 VO Patilla de contraste del cristal lıquido.

Normalmente se conecta a un potenciometro a traves delcual se aplica una tension entre 0 y +5V que permite

regular el contraste del cristal lıquido4 RS Seleccion de registro de control/registro de datos

RS=0 Seleccion del registro de controlRS=1 Seleccion del registro de datos

5 R/W Senal de lectura/escrituraR/W=0 El modulo LCD es escritoR/W=1 El modulo LCD es leido

6 E Senal de activacion del modulo LCDE=0 Modulo desconectado

E=1 Modulo conectado7-14 D0/D7 Bus de datos bidireccional. A traves de estas lıneas

se realiza la transferencia de informacion entre elmodulo y el sistema informatico que lo gestiona

entre 0.1 ms y 10 ms. Igualmente el tiempo de desconexion debe ser como mınimode 1 ms antes de volver a conectar.

La secuencia de inicio ejecutada es la siguiente:

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 21

Tabla 2.3: Secuencia de inicio del LCD1.- CLEAR DISPLAY

El flag busy se mantiene a 1 (ocupado) durante 15ms hasta que finalizala inicializacion.

2.- FUNCTION SETSe elige por defecto el tamano del bus de datos a 8 bits (DL=1) y

el numero de renglones del display en 1 (N=0)3.- DISPLAY ON/OFF CONTROL

Se elige por defecto display en OFF (D=0), cursor en OFF (C=0) yparpadeo del cursor en OFF (B=0)

4.- ENTRY MODE SETSe elige por defecto incremento del cursor (I/D=1) y modo normal,

no desplazamiento, del display (S=0)5.- Se selecciona la primera posicion de la DDRAM

2.6. Optoacoplador

Cuando se combina una fuente optica (generalmente un ILED) con algun tipo dedetector optico (generalmente un semiconductor de Sılicio) en un solo encapsulado,el dispositivo resultante se llama optoacoplador u optointerruptor.

La senal de entrada se aplica al ILED y la senal de salida se toma del fototran-sistor. Los tiempos de subida y bajada de los fototransistores son muy pequenos; losvalores tıpicos de tiempo de encendido ton son de 2 a 5 µs, y de tiempo de apagadot(off) son de 300 ns. Estos tiempos de encendido y apagado limitan las aplicacionesen alta frecuencia.

Esta estructura produce un elemento que permite el acoplamiento de senales, dostipos de circuitos electronicos independientes y totalmente aislados entre si, segunel encapsulado de estos dispositivos pueden tener un aislamiento hasta de 3500 V.

En la fıgura 2.7 se muestra el esquema electrico y el aspecto externo de manerageneral para los optoacopladores.

El acoplador optico es un dispositivo que ofrece a los disenadores electronicos unamayor libertad para disenar circuitos y sistemas. La operacion esta basado en ladeteccion de luz emitida. La entrada del acoplador esta conectada a un emisor deluz y la salida es un fotodetector. Los dos elementos estan separados por un ais-

22 2.6. Optoacoplador

Figura 2.7: Encapsulado tıpico con vıas de transmisıon luminosa. [14].

lante transparente y dentro de un empaque que lo aisla de la luz exterior (figura2.8). Hay muchos tipos de acopladores opticos, todos ellos tienen una fuente de luzinfrarroja (LED), pero el detector puede ser: fotodiodo, fototransistor, LASCR, etc.

Figura 2.8: Corte de un optoacoplador. [14].

Al encapsular un emisor y un detector optico, la relacion optica siempre esta esta-blecida y esto hace que la naturaleza de uso sea totalmente electronica. Esto eliminala necesidad de tener conocimientos de optica para el usuario. Por lo tanto para unaefectiva aplicacion solo hace falta conocer algunas caracterısticas electricas, capaci-dades y limitaciones del emisor y el detector.

Los materiales mas comunes para los LED de los optoacopladores, son GaAs (Galio-Arsenico) y GaAlAs (Galio-Aluminio-Arsenico). Cuando una corriente directa (IF )pasa por el LED se emiten fotones, la potencia emitida (PO) depende de la corriente

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 23

IF . Las longitudes de onda mas comunes son 660, 850 y 940 nanometros (nm).

Un parametro muy importante en optos es la eficiencia, este parametro define quecantidad de corriente necesitamos en el LED para obtener la salida deseada. El otroparametro importante en optoacopladores es el voltaje de aislamiento el cual es de7500 Volts durante 1 segundo.

En la figura siguiente se muestra la configuracion para optoacopladores drivers paraTRIAC, por control de fase aleatorio y por deteccion de cruce por cero.

Figura 2.9: Optoacoplador driver para TRIAC. [14].

2.6.1. Alarma visual

La alarma visual se utiliza para avisar de eventos ocurridos. En este trabajo seemplea para dar aviso de que en el sistema algun evento no deseado tiene lugar. Lasalarmas visuales se emplean para dar lugar a eventos que se encuentran en perfectofuncionamiento, o en otro caso, de que tiene lugar un desperfecto o accion no reque-rida.

La alarma de color verde, indica que el sistema opera correctamente. No sera ne-cesario revisar ningun elemento y por lo tanto, se satisface con el trabajo que realiza.

La alarma de color rojo, indica que existe algun fallo en el sistema, ya sea, queexista una fuga en la valvula que se encuentre monitoreada por el sistema; que elcaudal de agua que abastece la toma sea bajo o que el caudal de agua sea alto.

2.7. Sensor optico

Los detectores opticos basan su funcionamiento en la emision de un haz de luzque es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene muchas aplicaciones

24 2.7. Sensor optico

en el ambito industrial y son ampliamente utilizados.

Los sensores opticos se encuentran conformados por las siguientes partes:

1. Fuente

2. Receptor

3. Lente

4. Circuito de salida

2.7.1. Fuente

Origina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un ampliorango en el espectro luminoso (incluyendo luz visible e infrarroja). Para la mayorıade las aplicaciones se prefieren las radiaciones infrarrojas, pues son las que mayorporcentaje de luz emiten y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muyutiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operacion del sensor. Entre los LEDde luz visible, los de luz roja son los mas eficaces para esta aplicacion. En la figura2.10 se muestra el diagrama de un LED y se muestran sus partes.

Figura 2.10: Foto emisor. [16].

2.7.2. Receptor

Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un fototran-sistor. El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor, esto significaque el fotodiodo o el fototransistor que se encuentra en el detector debe permitirmayor circulacion de corriente cuando la longitud de onda recibida sea igual a la delLED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincronıa con el emisor, estopermite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este tipo de recepcion sin-cronica solo es posible cuando la fuente y el receptor estan en el mismo encapsulado.En el receptor, ademas, existe un circuito asociado que condiciona la senal antes dellegar al dispositivo de salida. En la figura 2.11 se observa una grafica que muestracomo el LED infrarrojo tiene mayor eficacia que el LED visible rojo.

2. Descripcion de los elementos usados para el diseno del sistema 25

Figura 2.11: Longitud de onda. [16].

2.7.3. Lentes

Tienen la funcion de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el receptorpara restringir el campo de vision, esto trae como consecuencia aumentar la distanciade deteccion. El area de la base del cono de haz emitido por el LED y el lente aumentaa mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono muy estrecho, loque permitira darle mayor alcance al sensor pero con el inconveniente de presentarmayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos detectores son disenados paratener un amplio campo de vision, esto permite detectar objetos grandes, pero adistancias relativamente cortas. La figura 2.12 presenta como se propaga el campode vision en presencia y ausencia del lente.

Figura 2.12: Lentes. [16].

2.7.4. Configuracion en Transmision directa o barrera

El emisor y el receptor se colocan uno frente al otro y el objeto es detectadocuando pasa entre ambos. La configuracion tiene la ventaja de alcanzar grandesdistancias de deteccion (hasta unos 270m). En la figura 2.13 se muestra un fotosensor con la configuracion de transmision directa.

26 2.7. Sensor optico

Figura 2.13: Modo Transmision Directa. [16].

Capıtulo 3

Propuesta y diseno del circuitopara el desarrollo del sistema

3.1. Introduccion

En este capıtulo se hara mencion de la circuiterıa que conforma el sistema pro-puesto, ası mismo se explica brevemente el funcionamiento del sistema desarrolado,con su respectiva problematica de ensamble, prueba, error.

3.2. Descripcion del diseno de la circuiterıa pro-

puesta

Despues de realizar un analisis de la problematica actual del agua, de las malasinstalaciones de las lıneas de abastecimiento, de la calidad de los componentes de lamisma, se propuso el diseno de un sistema que de alerta de la presencia de una fuga.

La circuiterıa disenada, consta de dos Microcontrolador PIC 16F877A, tres optoa-copladores EL 3011, tres TRIAC 2N6071, un buzzer.

El PIC 16F877A tiene la funcion de recibir pulsos, los cuales, dependiendo del eventopresentado, envıa una serie de pulsos a un LCD, un pulso a un buzzer para emitiruna alarma, los mensajes mostrados en el LCD, advierten sobre una fuga de agua,niveles de agua alto y bajo (estos tres mensajes se consideran como anomalıas),cuando la valvula se encuentra en uso, y, sobre la activacion de la bomba de aguapara la simulacion del sistema. Los pulsos de entrada provienen de sensores opticos,conformados por un ILED (LED Infrarrojo) y un Fototransistor. Son 4 sensores op-ticos los que se encargan de enviar los pulsos para que el PIC realice la funcion quele ha sido encomendada.

27

28 3.3. Bloques del sistema propuesto

El siguiente PIC 16F877A, tiene el trabajo de controlar la etapa de potencia, recibetres pulsos para controlar dos optoacopladores, los cuales se encargan de energi-zar o desenergizar las alarmas visuales, uno de estos optoacopladores tiene comoentrada un pulso positivo (+5V), por medio de una compuerta logica HD74LS04,para controlar la alarma visual de color verde, el otro optoacoplador recibe el pul-so directamente, el cual se encarga de controlar la alarma visual de color rojo. Laalarma visual de color verde, indica que no existen anomalıas, la alarma visual decolor rojo, indica que existe una fuga de agua, que el caudal de agua es alto o es bajo.

Los sensores opticos empleados, son instalados en los costados del rotametro, delos que se obtienen pulsos que dependiendo de la posicion del flotador, correspon-diente al caudal de agua, se obtiene una lectura la cual se muestra en el LCD. Lafuncionalidad del sistema, se garantiza sin especificar porcentajes de calidad de lamisma.

3.3. Bloques del sistema propuesto

El sistema propuesto se basa principalmente en el uso de microcontroladores,contiene un bloque compuesto por sensores opticos, un bloque de control de velo-cidad de un motor monofasico de AC para simulacion del sistema, un bloque decontrol de potencia para la activacion de alarmas visuales.

A continuacion se explican los bloques

1. PIC 16F877A: Se emplea este tipo de PIC por el numero de E/S con las quecuenta, la amplia memoria que posee, etc. La programacion se realizo pararecibir pulsos de entrada proporcionados por sensores oticos, igualmente paraenviar pulsos de control a otro microcontrolador del mismo tipo. Asi mismo,es empleado para controlar el LCD, y mostrar los mensajes programados de-pendiendo del evento externo. La necesidad de emplear un microcontroladorde este tipo, viene dado por la necesidad de mostrar mensajes en un LCD,un pulso de entrada al dispositivo puede producir diferentes respuestas en elLCD. Un mensaje que sea visible y entendible, no es excepcion. El siguien-te dispositivo utilizado, igualmente es un PIC 16F877A, este, se emplea parael control de la etapa de potencia, recibe pulsos del PIC anterior y segun laprogramacion igualmente envia pulsos a los optoacopladores usados.

2. LCD 16x2: Se emplea este tipo de LCD para la visualizacion de los mensajesprogramados dependiendo del pulso de entrada obtenido a traves de la lecturade los sensores opticos. Para la programacion de este tipo de visualizador, esnecesario emplear un dispositivo capaz de controlarlo.

3. Propuesta y diseno del circuito para el desarrollo del sistema 29

3. Sensor optico: Se utiliza un led infrarrojo y un fototransistor. Se empleancomo switch para detectar el movimiento del flotador encontrado en el interiordel Rotametro. La propuesta de utilizar dispositivos de esta naturaleza, es porque resulta economico y muy flexible su uso. El voltaje que se maneja en elcircuito oscila entre 2 y 3.5 volts, la corriente es menor a 25mA, por lo que esnecesario elevar esta corriente para introducir un pulso en el microcontrolador,el cual, con la configuracion programada en el PIC, da como respuesta unmensaje en un LCD, una alarma sonora y una visual.

4. Etapa de potencia: Compuesto por tres optoacopladores tipo MOC 3011,tres TRIAC 2N6071AG para el control de velocidad de un motor de CA mo-nofasico y dos lamparas utilizadas como alarmas visuales. La circuiterıa no fuede facıl implementacion para su desarrollo. El estudio, la prueba y error deeste tipo de circuito, fue a traves de cuidadoso calculo, ya que el sistema encasi su totalidad opera con CD, especificamente 5V. Si se combina corrientealterna con corriente directa, existe la posibilidad de un choque electrico y unsevero fallo en el sistema, en otras palabras, los microcontroladores sufrirıandanos internos irreparables.

3.4. Prototito simulador para el sistema desarro-

llado

El sistema esta implementado en un prototipo para la simulacion de una tomade agua, en otras palabras, el lugar donde se encuentra una valvula o llave de agua,en la cual podrıa existir la presencia de una fuga. El prototipo simulador consta deun deposito de agua con capacidad de 20 litros, una bomba de 1

2HP, dos valvulas

denominadas de globo o bola, un circuito de tuberıa de PVC Hidraulico y una llavede agua.

En el prototipo se coloco el rotametro para visualizar el caudal de agua que pa-sa a traves de el, se propuso un control de velocidad para la bomba de agua, en elcual se encuentra un optoacoplador NTE3048 y un TRIAC 2N6071AG. Se desarrolloen la programacioon un PWM para variar la velocidad de la bomba. El control dela misma, puede ser variado cambiando los tiempos en el programa fuente.

30 3.4. Prototito simulador para el sistema desarrollado

Capıtulo 4

Pruebas de funcionamiento yConclusiones

4.1. Pruebas de funcionamiento

El sistema propuesto y el prototipo simulador fueron sometidos a pruebas de fun-cionamiento, la bomba de agua utilizada para la simulacion del sistema, proporcionaun caudal de 40 l*min

4.2. Conclusiones

Diseno y construccion del circuito electronico para realizar las pruebas decontrol basado en el uso de microcontroladores, sensores opticos, dispositivosoptoacopladores, triacs para el control de las alarmas visuales y el control dela bomba de agua.

El desarrollo de los programas para el funcionamiento de los microcontrolado-res para obtener buen control y resultados favorables.

31

32 4.2. Conclusiones

Apendice A

Glosario

Arquitectura Harvard:Modificacion de Harvard RISC, conjunto de instrucciones con arquitectura de doblebus, listado de 35 instrucciones.

Chip:Parte activa del microcontrolador o microprocesador, se encuentra en la parte inter-na del encapsulado.

Control:Es el proceso de regulacion manual o automatica sobre una variable o sistema devariables conforme a lo que se desea.

EPROM:Chip de memoria que se programa despues de su fabricacion. Es un buen metodopara que los fabricantes inserten codigos que cambian constantemente.

LCD 16x2:Dispositivo capaz de mostrar cualquier caracter alfanumerico. La pantalla consta deuna matriz de caracteres (normalmente de 5x7 o 5x8 puntos) distribuidos en una,dos, tres o hasta cuatro lıneas de 16 o 40 caracteres. Se gobierna por un microcon-trolador Hitachi 44780.

Lineas de E/S:Pines del encapsulado del microcontrolador reservadas para enviar informacion delos perifericos y recursos internos al exterior. Igualmente reciben informacion de losdispositivos exteriores y la introducen al microcontrolador para su procesamiento.Pueden estar agrupadas en conjuntos de hasta 8 lıneas, llamadas puertos. Son de tipo multifuncional, esto es, que pueden realizar diversas

33

34

funciones multiplexadas en el tiempo y programables.

Memoria FLASH:Basada en memorias EEPROM, pero permite el borrado bloque a bloque, es masbarata y densa.

Microcontrolador:Es un pequeno computador construido sobre el chip o dado de silicio que hay dentrode un circuito integrado. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tareadeterminada o el de un producto, y debido a su reducido tamano, suele estar incor-porado en el propio dispositivo que gobierna. Esta ultima caracterıstica es la que seconfiere la denominacion de controlador incrustado (embebed controller).

OptoacopladorDispositivo electronico capaz de conmutar la corriente directa y la corriente alternapor medio de un haz de luz, funciona como un interruptor exitado mediante la luzemitida por un led, saturando un componente optoelectronico en forma de fototriaco fototransistor.Rotametro:Un rotametro es un dispositivo utilizado para medir caudales, tanto de lıquidos co-mo de gases. Se compone de un tubo de vidrio de baja conicidad, en cuyo interiorse encuentra el elemento sensible al caudal, llamado flotador.

Sensor Optico:Circuito basado en un emisor de luz (LED), ya sea visible o invisible (infrarroja)y un fotoreceptor, que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tienemuchas aplicaciones en el ambito industrial y son ampliamente utilizados.

Sistema de control:Conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro siste-ma con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcanlas probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados.

TRIAC:Dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo decorriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambossentidos y puede ser bloqueado por on de la tension o al disminuir la corriente pordebajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientementede la polarizacion de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva onegativa.Valvula:

A. Glosario 35

Dispositivo mecanico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulacion(paso) de lıquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruyeen forma parcial uno o mas orificios o conductos.

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Apendice B

Acronimos y Abreviaturas

CA Corriente Alterna.

CD Corriente Directa.

CPU Central Process Unit (Unidad Central de Procesos).

EPROM Erasable Programmable Read Only Memory (memoria programable desolo lectura y borrable).

EEPROM Electrical ereasable programmable read only memory (memoria de sololectura programable y borrable electricamente).

HMI: Human Machine Interfaz (Interfaz Humano Maquina)

HP Horse power (caballo de fuerza).

PROM Programmable Read Only Memory (memoria programable de solo lectura).

PWM Pulse Width Modulation (Modulacion por ancho de pulso)

RAM Random Access Memory (Memoria de Acceso Aleatorio). Memoria que pue-de ser escrita y leıda por el microprocesador u otros dispositivos de hardware.

RISC Reduced Instruction Set Computer (Lista de Instrucciones Reducida pa-ra Computador).

ROM Read only memory (Memoeria de solo lectura).

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Apendice C

Interfaz para la programacion

GREAT COW GRAPHICAL BASIC

La interfaz para la programacion de los PICs utilizados en el desarrollo del sistemallamado Great Cow Graphical Basic, es un software de aplicacion para la creacionde programas orientados a objetos, utiliza lenguaje de diagrama de flujo, es senci-llo de trabajar y muy amigable. En la compilacion del programa realizado crea unarchivo de lenguaje de alto nivel (ensamblador) y un archivo para la programaciondel dispositivo.

Los requerimientos minimos para la instalacion del software son una computado-ra con procesador a 256MHz, memoria RAM de 128MB y Windows XP, Vista o 7.

Esta interfaz fue creada para la programacion de PICs, por ejemplo la familia10F2XX, 12FXX, 16FXXA, etc. Una vez terminado el programa, se compila y sebaja al quemador, en este caso se utilizo un MASTER-PROG.

A continuacion describire paso a paso como es que se puede tener acceso a estaherramienta.

1. En la siguiente figura se muestra la pantalla de inicio de la interfaz, en la cualaparece informacion de la version de la interfaz, la licencia y los contribuidores,ademas de dos links proporcionados por los desarrolladores.

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2. En esta figura se presenta el menu, en el cual podemos escojer el chip a pro-gramar, su velocidad de operacion, los bits de configuracion y algunas otrasaplicaciones tales como el manejo de LCD, PWM, RS232.

C. Interfaz para la programacion 41

3. En la figura siguiente se muestra la forma de un programa.

4. Menu que nos permite seleccionar entre visualizar el programa en lenguajeensamblador, ver el resumen de iconos y la opcion de compilar el proyecto.

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5. Ventana MS-DOS que indica el Status de la compilacion del proyecto.

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