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2.3 - Prototipado

Mediciones de temperatura y humedad

Con el proyecto "Nuestro Jardín" vamos a diseñar y elaborar un dispositivo que sea capaz de realizar una serie de funciones. Para poder conseguirlo debemos diseñar y poner en marcha una serie de prototipos, de forma que nos vayan dando una serie de funcionalidades y nos permitan poder ir trabajando desde otras áreas.

Lo primero que necesitamos es poder tomar lectura de la temperatura ambiental y de la humedad en el terreno. Para ello vamos a trabajar con el material recibido a través del proyecto STEAM: Robótica en el aula tal y como veremos más adelante.

Utilizando la web MakeCode para programar las placas Micro:Bit, primero se hace una aproximación a la programación mediante la lectura de temperatura con el sensor interno y la muestra del valor en la pantalla de ledes de la placa.

Una vez se consigue esto y montado el prototipo 1 como se verá en el siguiente apartado, se introduce al uso de variables en programación (con la variable "humedad") y la muestra del valor en la pantalla. Esto se puede ver en la siguiente imagen:

Programa para el detector de humedad elaborado en MakeCode para Microbit
Alumnado 2º ESO IES Az-Zait - D. Antonio Muñoz. Programa para el detector de humedad elaborado en MakeCode para Microbit (CC0)

Con el programa del prototipo 1, provocamos que se tomen las lecturas de temperatura (con una variable ya existente en MakeCode) y humedad (con la variable creada por nosotros). Como la variable humedad es de creación propia, le damos un valor máximo de 1023 (para asemejarlo a las lecturas de otros sensores en otros dispositivos) y de esta forma es fácil calcular la humedad relativa con la aplicación de una proporcionalidad directa.

Aquí aprovechamos para ver el sentido de las lecturas analógicas y de la creación de cadenas de texto.

Prototipo 1

Para leer la temperatura ambiental no es necesario hacer montaje alguno ya que el sensor viene totalmente integrado en la placa Micro:Bit  y por lo tanto solo es necesario programar. El montaje ya es necesario para leer la humedad por lo que procederemos a hacer el montaje que se puede ver en la siguiente imagen:
Esquema de prototipo de mediciones de temperatura y humedad basado en Micro:Bit
Alumnado 2º ESO IES Az-Zait - D. Antonio Muñoz. Esquema de prototipo de mediciones de temperatura y humedad basado en Micro:Bit (CC0)

En el montaje habrá que tener mucho cuidado en la asociación de cables (utilizaremos cables con conexión de cocodrilo y cables de prototipado macho-hembra para facilitarlo todo. Además habrá que fijarse en todo momento en que hay que acabar conectando el sensor con la placa uniendo los siguientes puertos por parejas:

  • G (sensor) - GND (Micro:Bit).
  • S - 3V.
  • S - 0.


ACTIVIDAD A REALIZAR: Con el material disponible, realiza el montaje correspondiente a este esquema y comprueba que el programa del apartado anterior funciona correctamente. En el momento en el que funcione en clase, el grupo debe salir al patio y realizar lecturas en distintas zonas hundiendo el sensor de humedad en la tierra.


El resultado final de la actividad ha sido el siguiente:

Alumnado probando el prototipo 1 en el patio del centro
Antonio Muñoz Pancorbo. Alumnado probando el prototipo 1 en el patio del centro (CC BY-NC)
Prueba del prototipo 1 sobre el terreno
Antonio Muñoz Pancorbo. Prueba del prototipo 1 sobre el terreno (CC BY-NC)




Sistema de riego previo

La ampliación del primer prototipo pasa por mandar señales digitales según las condiciones de temperatura y humedad que haya. Para empezar vamos a establecer unos valores frontera de 30ºC y un valor de 300 para la humedad que estamos tomando. Aquí se introducen nuevos conceptos de programación como el uso de los bloques condicionales, el uso de operadores matemáticos "menor que" y del operador lógico "Y". Así, el nuevo programa a probar será el siguiente:

Programa elaborado con MakeCode para activación de relé según condiciones de temperatura y humedad
Alumnado 2º ESO IES Az-Zait - D. Antonio Muñoz. Programa elaborado con MakeCode para activación de relé según condiciones de temperatura y humedad (CC0)

Una vez que hemos probado la lectura de valores en el prototipo anterior, con esta ampliación introducimos los bloques incluidos en el condicional. La condición que se establece es la siguiente:

  • SI (la temperatura es menor que 30ºC) Y (el valor leído para la humedad es menor que 300) ENTONCES (mandamos una señal "1" al pin 1).
  • SI NO (mandamos una señal "1" al pin 1).

Se recuerda que el relé estará conectado al pin 1 de la placa Micro:Bit.

Se introduce un último bloque de espera de 10 segundos para que la placa disponga de tiempo de refresco.

Este mismo programa se probará en dos fases distintas durante el desarrollo del prototipo 2 tal y como vamos a ver en el siguiente apartado.

Prototipo 2

El segundo prototipo pretende ampliar el anterior de forma que no solo sirva para medir temperatura y humedad sino que además, sea capaz de activar un sistema de riego cuando las condiciones de las variables sean las adecuadas. Comenzaremos ampliando el anterior prototipo (el 1) y añadiendo un nuevo elemento que va a activar todo el sistema de riego, un relé. Un relé es, básicamente, un electroimán que al recibir corriente crea un campo magnético que es capaz de atraer una chapa y establecer contacto en un segundo circuito (que puede tener una alimentación eléctrica diferenciada). Para comprender mejor el funcionamiento del relé, vemos el siguiente vídeo:

Canal YouTube Electrónica FP. ¿Qué es un relé?

De momento, una vez entendido el propósito y como una forma de aproximación al circuito definitivo, trataremos de darle corriente eléctrica al circuito de excitación (primer circuito) del relé siguiendo el esquema de la siguiente imagen:

Esquema de montaje del prototipo de activación del relé para Micro:Bit
Alumnado 2º ESO IES Az-Zait - D. Antonio Muñoz. Esquema de montaje del prototipo de activación del relé para Micro:Bit (CC0)

Al ampliar el circuito, habrá que tener muy en cuenta las conexiones a establecer entre la placa Micro:Bit y el relé que serás las siguientes:

  • G (alimentación del relé) - GND (de Micro:Bit a través del cocodrilo correspondiente).
  • V - 3V (a través del cocodrilo correspondiente).
  • S - 1.

 


ACTIVIDAD A REALIZAR: Con el material disponible, realiza el montaje correspondiente a este esquema y comprueba que el programa del apartado anterior funciona correctamente (se debe encender y/o apagar el diodo LED asociado al relé). En el momento en el que funcione pasaremos a la actividad siguiente.



El resultado de la actividad ha sido el siguiente:

Resultado del montaje de la primera fase del prototipo 2
Antonio Muñoz Pancorbo. Resultado del montaje de la primera fase del prototipo 2 (CC0)

Prototipo 2 con sensor sobre planta
Antonio Muñoz Pancorbo. Prototipo 2 con sensor sobre planta (CC0)



Acto seguido, toca completar el prototipo asociando la bomba sumergible al circuito de contactos del relé tal y como se puede observar en el siguiente esquema explicativo. En él se puede observar el nuevo circuito a montar en color azul:

Esquema definitivo con activación de bomba a diferente voltaje
D. Antonio Muñoz Pancorbo. Esquema definitivo con activación de bomba a diferente voltaje (CC0)

ACTIVIDAD A REALIZAR: Con el material disponible, realiza el montaje correspondiente a este esquema y comprueba que el mismo programa funciona correctamente (se debe encender y/o apagar la bomba sumergible). Ten en cuenta la alimentación que hay que suministrarle a la bomba. 


Tras varias pruebas realizadas el resultado final de la fase de prototipado se puede ver en el siguiente vídeo:

Antonio Muñoz Pancorbo. Pruebas del prototipo 2 del proyecto "Nuestro Jardín" (CC0)



Prototipo para la Feria

De cara a la presentación en la Feria de la Ciencia de Sevilla, el programa se mejora para poder provocar la activación y desactivación manual del relé y de la bomba sumergible. De esta forma no tendremos que estar esperando a las condiciones de humedad y temperatura sean las definidas previamente en el programa. 

En la siguiente imagen se ve lo añadido; cuando se presiona el pulsador "A" se manda una señal digital "1" al pin 1 de Micro:Bit y por lo tanto se activa el circuito de excitación del relé que a su vez permite alimentar eléctricamente a la bomba sumergible para que esta eleve el agua correspondiente. Al presionar el pulsador "B" se manda la señal digital "0" al pin 1 de Micro:Bit y sucede justo lo contrario, de esta forma paramos la bomba de agua. 

Programa para activación y desactivación manual del relé
D. Antonio Muñoz Pancorbo. Programa para activación y desactivación manual del relé elaborado con MakeCode (CC0)