DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL …
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1 DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PRECISO DE DOSIFICACIÓN Y FRECUENCIA DE RIEGO PARA EL ENSAYO DE ESTRATEGIAS DE FERTIRRIEGO EN UN BANCO DE PRUEBAS HIDROPÓNICO ANDRÉS FELIPE DÍAZ VILORIA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2018
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DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL
PRECISO DE DOSIFICACIÓN Y FRECUENCIA DE RIEGO PARA
EL ENSAYO DE ESTRATEGIAS DE FERTIRRIEGO EN UN BANCO
DE PRUEBAS HIDROPÓNICO
ANDRÉS FELIPE DÍAZ VILORIA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2018
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DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL
PRECISO DE DOSIFICACIÓN Y FRECUENCIA DE RIEGO PARA
EL ENSAYO DE ESTRATEGIAS DE FERTIRRIEGO EN UN BANCO
DE PRUEBAS HIDROPÓNICO
Proyecto de grado para optar al título de pregrado en Ingeniería Mecánica
Presentado por:
ANDRÉS FELIPE DÍAZ VILORIA
Profesor Asesor
GIACOMO BARBIERI
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2018
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Nota de aceptación:
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AGRADECIMIENTOS
Al profesor Giacomo Barbieri, por su gran apoyo, motivación y orientación a lo largo de todo este
proceso.
A Carolina Triviño, por su amable colaboración y atención que permitieron seguir adelante con este logro.
Agradecimientos también a los técnicos de los laboratorios y el personal administrativo del
departamento, siempre dispuestos a colaborar y atentos a cualquier situación.
A mis padres, quienes me enseñaron a siempre hacer las cosas de la mejor manera y a seguir adelante
incondicionalmente.
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RESUMEN
El proyecto general se encuentra dirigido al desarrollo de un banco de pruebas para ensayos de fertirriego
en hidroponía, teniendo en cuenta como objetivo principal para este proyecto específico implementar un
sistema de control de alimentación de solución nutritiva de alta precisión y de bajo costo. Para esto, se
diseña un banco de pruebas con inclinación variable, a partir de una estructura base para cultivo en
hidroponía donada a la universidad por Sáenz Fety para el proyecto.
Con respecto a las dimensiones del módulo hidropónico, se realiza una búsqueda comercial y en la
literatura para determinar distintas soluciones de alimentación de riego, donde se encuentran distintas
bombas peristálticas y de diafragma como una primera opción muy llamativa y de gran precisión para
este propósito.
De esta manera, se realiza la compra y caracterización de 2 bombas peristálticas, controladas por un
motor DC y un motor de paso, y de 1 bomba de diafragma. Cada una de estas bombas es calibrada dentro
de un mismo montaje estándar diseñado para la alimentación de riego del módulo, obteniendo así sus
curvas características de caudal en función de la respectiva variable de entrada de control de la bomba.
Las curvas de calibración de caudal permitirían identificar el flujo con menor variabilidad posible, de
forma que al relacionarlo con un volumen objetivo de dosificación se obtuviese la mayor precisión de
entrega de solución nutritiva por bomba. De este modo, se llega a concluir cuál de las 3 bombas
estudiadas es la que brindará mayor precisión de dosificación en el módulo hidropónico, para luego ser
implementada y utilizada en el estudio de técnicas de fertirriego.
Palabras clave
Hidroponía, Fertirriego, Solución nutritiva, Volumen dosificado, Banco de pruebas, Riego preciso,
Bomba peristáltica, Bomba de diafragma
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CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................... 7
ESTADO DEL ARTE .............................................................................................................................................................. 8
OBJETIVOS ............................................................................................................................................................................ 9
Objetivo general .................................................................................................................................................................... 9
Objetivos específicos ............................................................................................................................................................. 9
CRONOGRAMA ................................................................................................................................................................... 10
METODOLOGÍA .................................................................................................................................................................. 11
Diseño del banco de pruebas ............................................................................................................................................... 11
Dimensionamiento del sistema hidráulico ........................................................................................................................... 11
Selección de válvulas para distribución de riego ................................................................................................................ 12
Cálculo de pérdidas por fricción en el sistema – Presión mínima de bomba de riego ........................................................ 14
Selección de bombas de riego – Resumen de requerimientos del sistema ........................................................................... 15
Montaje experimental estándar para caracterización de bombas ....................................................................................... 18
PRUEBAS EXPERIMENTALES......................................................................................................................................... 20
Diseño del experimento 1 – Caracterización de bombas ..................................................................................................... 20
Diseño del experimento 2 – Estimación de precisión de dosificación ................................................................................. 20
Detalle de cálculos a realizar .............................................................................................................................................. 21
RESULTADOS OBTENIDOS .............................................................................................................................................. 22
Experimento 1 ...................................................................................................................................................................... 22
Experimento 2 ...................................................................................................................................................................... 24
DISCUSIÓN DE RESULTADOS ......................................................................................................................................... 28
Experimento 1 – Bomba Amazon ......................................................................................................................................... 28
Experimento 2 – Bomba Amazon ......................................................................................................................................... 29
Experimento 1 – Bomba Boxer ............................................................................................................................................ 29
Experimento 2 – Bomba Boxer ............................................................................................................................................ 30
Experimento 1 – Bomba Hanna ........................................................................................................................................... 30
Experimento 2 – Bomba Hanna ........................................................................................................................................... 31
CONCLUSIONES ................................................................................................................................................................. 32
TRABAJO A FUTURO ......................................................................................................................................................... 33
REFERENCIAS ..................................................................................................................................................................... 34
ANEXOS................................................................................................................................................................................. 35
Tablas de datos obtenidas durante los experimentos ........................................................................................................... 35
Caracterización de bomba Amazon – Curva de calibración 1 ........................................................................................ 35
Caracterización de bomba Amazon – Curva de calibración 2 ........................................................................................ 36
Caracterización de bomba Boxer .................................................................................................................................... 36
Caracterización de bomba Hanna ................................................................................................................................... 37
Códigos utilizados para programación del Arduino ............................................................................................................ 38
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INTRODUCCIÓN
La hidroponía es un método de cultivo comúnmente utilizado cuando posiblemente se presenta alguno
de los siguientes casos:
• El suelo de cultivo es insuficiente respecto a los nutrientes que debe aportar a la planta; suelo
contaminado o degradado
• Región de cultivo muy árida/seca, condiciones climáticas adversas
• Alto costo/cantidad de agua/fertilizantes necesarios para el cultivo
Debido a que en la hidroponía todos los nutrientes son aportados a través del agua, y absorbidos por la
raíz de la planta en medio de un sustrato, no hay ninguna dependencia respecto al tipo de suelo usado
para el cultivo. Esto es un gran beneficio para regiones de siembra donde el suelo no tenga las mejores
características nutritivas para la planta, o hasta en lugares donde simplemente no haya suelo para cultivar.
De igual manera, por medio de este método de cultivo se reduce el uso de insecticidas y de agua, ya que
hay un menor porcentaje de pérdidas de estos componentes en comparación al cultivo tradicional, donde
una gran parte se pierde hacia el suelo contaminándolo y al ambiente cuando se aspersa el producto. [1]
[2] [3]
Para lograr llevar todos los nutrientes necesarios a la raíz de la planta a través del agua se debe hacer un
fertirriego en el cultivo hidropónico. Previo al riego de la planta, se prepara específicamente una solución
nutritiva con los niveles adecuados de pH, conductividad eléctrica, nitrógeno, fósforo, entre otros
elementos necesarios para fomentar el crecimiento de la raíz y en etapas posteriores de la planta [3]. La
solución nutritiva puede que sea parcialmente retenida en un medio de sustrato, entre los cuales se puede
encontrar: fibra de coco, piedra, y demás, la elección del sustrato se encuentra en función del tipo de
planta, frecuencia de riego y etapa fenológica. [1]
En casos que se requiera un sustrato con baja retención de agua (depende del tipo de cultivo),
generalmente se deben realizar riegos controlados muy frecuentes y cortos a lo largo del día (en algunos
cultivos se pueden alcanzar hasta 100 pulsos de riego al día) [1] [3]. La estimación de la frecuencia de
riego normalmente es resultado de modelos experimentales, intuición, o literatura donde se han estudiado
cultivos y se sugiere cómo llevar a cabo el riego de estos. No obstante, esta metodología puede llegar a
resultar ineficaz, ya que no hay una manera directa o flexible para corroborar previamente la validez de
este modelo a utilizar en el cultivo real. [4]
Adicionalmente, las soluciones en el mercado para fertirriego en hidroponía involucran cultivos a mayor
escala o a nivel industrial, estos equipos probablemente se encuentren sobredimensionados y por encima
del costo esperado si se tratase de un cultivo a menor escala. Por las razones anteriormente descritas,
surge la necesidad de poder construir una herramienta de bajo costo, a pequeña escala, y con la
flexibilidad de poder brindar apoyo en la investigación de técnicas eficaces de fertirriego. Así, se propone
como proyecto general la implementación de un banco de pruebas hidropónico, con la característica de
tener alta precisión en la dosificación y frecuencia de riego (enfoque particular de este proyecto), y la
habilidad de poder manejar de forma simultánea dos módulos independientes de cultivo, de modo que se
puedan realizar pruebas distintas de fertirriego en paralelo. A continuación, se describirá en mayor detalle
los trabajos realizados anteriormente en el área y el desarrollo que se obtuvo a lo largo del proyecto.
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ESTADO DEL ARTE
Diferentes aproximaciones investigativas existen respecto a soluciones para la evaluación de técnicas de
fertirriego. Por ejemplo, en [5] se construye un sistema automatizado de riego que garantiza un nivel
objetivo de humedad en el suelo del cultivo. No obstante, esta propuesta no dimensiona qué tanta agua
se está dosificando en el programa de riego y con qué precisión, aspecto principal a desarrollar en este
artículo. Otros trabajos como [6] automatizan el riego y miden el volumen de agua utilizado a través de
caudalímetros de bajo costo, alcanzando una resolución teórica de 2.25 ml dosificados. Sin embargo, la
precisión del sensor de caudal y volumen entregado al cultivo no son validados. La garantía de exactitud
de riego en este modelo es cuestionable y se debe mejorar, como se mostrará más adelante en el sistema
propuesto.
Por otro lado, en el mercado agrícola actual no hay una solución directa que permita la investigación de
técnicas de fertirriego, con un foco como el propuesto en este artículo para cultivos independientes de
forma simultánea, con parámetros precisos de dosificación y frecuencia de riego variables. Cabe resaltar
que si existen elementos que en conjunto permiten construir el sistema propuesto, como por ejemplo
bombas dosificadoras1, controladores Arduino2, válvulas conmutadoras3, entre otros especificados más
adelante en el diseño del banco de pruebas.
El foco mayor de las soluciones agrícolas comerciales en este campo refiere a sistemas para la
preparación precisa de la solución nutritiva, dada la alta sensibilidad de los cultivos a pequeños cambios
en los parámetros de fertirriego [7]. Se encuentran sistemas como el HI25004 de Hanna Instruments,
capaz de balancear los niveles de pH y ORP (Potencial de óxido-reducción) de la solución nutritiva a
través de la inyección precisa de químicos mediante bombas peristálticas. El beneficio de este tipo de
bombas es que, aunque sean de lazo abierto, permiten un control muy preciso del caudal utilizado y
volumen entregado, razón por la que se evaluarán posteriormente distintas bombas peristálticas aplicadas
el control de dosificación y frecuencia de riego en el banco de pruebas.
En referencia al control preciso de caudal y volumen entregado, hay otras áreas distintas a la agrícola
donde se pueden requerir equipos muy precisos para la dosificación de líquidos. Por ejemplo, en el campo
de la medicina se han realizado estudios para la inyección controlada por jeringa de sistemas particulados
poliméricos, utilizando bombas de jeringa con caudales de hasta 5 µl/min [8]. Aunque este tipo de
equipos son comercialmente los más precisos en términos de resolución de caudal, puede que para la
aplicación del banco de pruebas no sea de gran utilidad manejar flujos tan pequeños. Si por ejemplo en
algún momento se quisiese entregar un volumen de 40 ml a una planta específica (en distintos momentos
del día), manejando un caudal de este régimen se necesitarían de aproximadamente 5.5 días para dosificar
el volumen completo, un tiempo certeramente poco viable para el proyecto dada las características de
riego frecuente necesarias en la cultura de hidroponía [9]. Consecuentemente, para propósitos de este
artículo se descartan las soluciones de control de caudal con tan alta precisión.
1 Referencia https://hannainst.com/bl-series-dosing-pumps.html 2 Referencia https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3 3 Referencia https://www.swagelok.com/en/catalog/Product/Detail?part=SS-41GXS2 4 Referencia https://hannainst.com/mini-fertilizer-injection-system.html
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OBJETIVOS
Objetivo general
• Garantizar el control preciso de volumen dosificado para fertirriego en un banco de pruebas
hidropónico, mediante el diseño, implementación y caracterización de un sistema automatizado
para controlar el flujo de la solución nutritiva
Objetivos específicos
• Diseñar el banco de pruebas para fertirriego, incluyendo la adaptación de la estructura para
hacerla graduable en inclinación, durabilidad y resistencia de los materiales respecto a las cargas
aplicadas a estos.
• Adquirir e implementar distintas bombas en el mercado para la alimentación de la solución
nutritiva de fertirriego, variando entre ellas la variable de entrada de control, precisión de caudal,
modo de funcionamiento, materiales de construcción, entre otros.
• Evaluar las alternativas implementadas para la alimentación de solución nutritiva a partir de los
requerimientos específicos de riego del banco de pruebas, haciendo uso de instrumentación,
equipos y sensores, que permitan caracterizar sus curvas de calibración, valorarlas y compararlas
entre sí.
• Realizar la selección de la alternativa de alimentación de solución nutritiva más precisa,
considerando también factores como costo, durabilidad, y estabilidad de funcionamiento en el
tiempo.
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CRONOGRAMA
Hay algunas actividades concretas que fueron realizadas a lo largo del semestre, en busca del
cumplimiento de los objetivos planteados para el proyecto dentro del tiempo estipulado para el semestre
2018-2. Estas actividades están sujetas a la metodología de diseño enunciada en el libro de Diseño de
maquinaria por Robert Norton [10], de modo que se tengan completamente especificadas las tareas desde
Identificación de la necesidad, hasta la Selección y diseño detallado de la solución óptima. A lo largo del
semestre se desarrolló el siguiente cronograma:
Tabla 1. Cronograma de tareas cumplidas durante el semestre 2018 – 20 para la realización del proyecto de grado
A continuación se especificarán todas las etapas de desarrollo del proyecto en detalle, previo a la
realización de las pruebas experimentales y obtención de resultados.
ActividadFecha de realización
(semana)
Identificación de la necesidad: Planteamiento del problema, contexto general,
Investigación preliminar: Estado del arte acerca del problema1
Planteamiento de objetivos: Especificaciones de desempeño de estructura, sistema
de riego, necesidad de lechuga2
Ideación e invención: Diseño y selección de microcontroladores, sensores, bombas y
equipos para construcción de sistema de medición y control preciso de volumen
dosificado; compra de los items - Compras presupuesto bajo/medio y alto costo
3 - 4
Diseño y selección de items para construcción de banco de pruebas integrado,
sistema de alimentación de riego, compra de los items - Compras presupuesto
bajo/medio y alto costo
3 - 4
Recibir compra de materiales de Easy para estructura graduable, comprar elementos
de acople para sistema de riego y válvula de 3 vías, investigación detallada respecto a
estado del arte para redacción de paper
5 - 9
Culminación de documento de proyecto de grado 16
Análisis: Caracterización del sistema implementando cada alternativa de medición y
control de volumen dosificado, correlación de variables de entrada y salida,
parámetros de automatización. Detalle en elementos restantes para ensamble de
montaje de pruebas, impresión 3D de acoples en TPU
10 - 13
Selección - Diseño detallado: Evaluación de alternativas a través de pruebas de
precisión de dosificación de volumen, selección de solución a implementar14 - 15
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METODOLOGÍA
Diseño del banco de pruebas
Para el diseño general del banco de pruebas, se establece que este debe constar de dos módulos
hidropónicos independientes, cada uno dosificado a partir de una misma bomba de riego mediante una
electroválvula por módulo. La bomba dosificadora estaría alimentada por un tanque de distribución de
solución nutritiva, donde se encontraría la solución de fertirriego preparada según los requerimientos de
cada cultivo en los módulos. Finalmente, cada módulo constaría con un tanque de almacenamiento de
solución nutritiva drenada, con el objetivo propuesto a futuro de implementar un sistema de recirculación
de riego. El diseño descrito anteriormente se muestra en el diagrama a continuación:
Ilustración 1. Diagrama general de componentes en banco de pruebas hidropónico [11].
Dimensionamiento del sistema hidráulico
Dado el enfoque particular del proyecto hacia la selección e implementación de la bomba de riego, se
debe realizar un dimensionamiento del sistema hidráulico general del banco de pruebas mostrado en la
Ilustración 1. Para esto, se toman como base las medidas de cada uno de los módulos hidropónicos. En
contacto con la empresa Sáenz Fety, decidieron realizar la donación a la universidad de un módulo para
cultivo hidropónico como el mostrado en la Ilustración 2. La estructura principal se encuentra
conformada por un ensamble de varillas de aluminio con una longitud total de 2 metros, donde se
colocarían 2 “slabs” (bolsas de sustrato) cada una contando con 4 espacios asignados para cultivo. En
términos generales, se decide suponer que el sistema de riego debe satisfacer una longitud mínima de 2
metros de manguera de distribución, situada a la salida de la bomba de riego hasta el final de cada módulo
hidropónico.
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Ilustración 2. Módulo hidropónico donado por Saenz Fety. La estructura tiene una longitud total de 2 metros, cada “slab” (bolsa de
sustrato) cuenta con una capacidad de hasta 4 unidades de cultivo.
Adicionalmente, se estable que debe existir un canal de manguera de mínimo 1 metro de longitud para
alimentar la bomba desde el tanque de distribución. En resumen, se detalla a continuación las
características mínimas generales del diseño del sistema hidráulico:
- Tanque de distribución a bomba de riego: 1 metro de manguera
- Bomba de riego hasta final de módulo hidropónico: 2 metros de manguera
Selección de válvulas para distribución de riego
Existen dos factores directamente relacionados a la selección de válvulas para distribución de riego, estos
se discuten a continuación:
- Se espera que en el tanque de distribución de riego se entregue la cantidad exacta y precisa que
debe ser dosificada por completo en alguno de los módulos del banco de pruebas, por lo que no
debe haber restantes de solución nutritiva bien sea en los canales de manguera, ni dentro de las
válvulas mismas después de realizar un riego.
- Al tanque de distribución se entrega con tanta precisión la solución nutritiva, ya que se considera
que este debe quedar completamente vació luego de un riego, para que posiblemente se entregue
después una solución con características químicas diferentes y no se mezclen distintos tipos de
soluciones.
Considerando los aspectos anteriormente descritos, partiendo del diseño mostrado en la Ilustración 1, se
concluye que el sistema de riego puede llegar a tomar una alta complejidad debido a los restantes de
solución nutritiva en dicho diseño particular (en las secciones de manguera entre la bomba de riego y las
electroválvulas). Por consiguiente, se decide implementar una válvula conmutadora manual de 3 vías en
el punto de distribución de riego hacia los dos módulos hidropónicos (referirse a la Ilustración 4), una
válvula como la mostrada a continuación que reemplazaría las electroválvulas por módulo previamente
propuestas.
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Ilustración 3. Válvula conmutadora manual de 3 vías Swagelok, a partir de las posiciones de la manija se dirige el flujo de la entrada de
la válvula hacia dos posibles salidas independientes. [12]
Ilustración 4. Esquema de distribución de riego modificado, se incluye una válvula conmutadora de 3 vías en punto de distribución de
riego.
Una válvula conmutadora como la mostrada en la Ilustración 3 reduce al máximo las posibles cavidades
internas de la válvula, donde podría quedar acumulado parte del volumen objetivo a dosificar en cada
uno de los módulos. Adicionalmente, elimina los restantes de solución nutritiva que existían con el diseño
inicialmente propuesto entre la bomba de riego y las electroválvulas (referirse a la Ilustración 1). Este
tipo de válvulas son muy poco frecuentes en el mercado, haciendo que su costo sea muy elevado y
directamente proporcional al tamaño de la válvula que se elija.
Dadas las restricciones de presupuesto asignadas al proyecto general del banco de pruebas, se decide
realizar la compra de una válvula conmutadora de acero inoxidable con diámetro de entradas/salidas de
manguera de 1/8 in. Así mismo, para el sistema de distribución de riego se debe utilizar una manguera
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con este diámetro externo, de modo que pueda haber un acople directo entre las distintas partes que lo
conforman. Por consiguiente, se realiza el pedido de manguera de PFA de 1/8” de diámetro externo y
espesor de pared de 0.03”. El material de la manguera es elegido para satisfacer compatibilidad química
con los distintos agregados esperados en la solución nutritiva de riego.
Cálculo de pérdidas por fricción en el sistema – Presión mínima de bomba de riego
Se han detallado las siguientes características para el sistema de distribución de riego en el banco de
pruebas:
- Canal de manguera mínimo total de 3 metros, donde se instalaría una sección de 1 metro entre el
tanque de distribución y la bomba de riego, y el restante de 2 metros de manguera a la salida de
la bomba hasta el final del módulo hidropónico
- Manguera de PFA con diámetro externo de 1/8” y espesor de pared de 0.03”
Para calcular las pérdidas por fricción asociadas al paso del flujo por la manguera, se establecen los
siguientes parámetros:
𝑒 = 0.0015 𝑚𝑚 ; 𝑙 = 3 𝑚 ; 𝑣 = 1.005 (10−6)𝑚2
𝑠
𝑑𝑖 = (1
8𝑖𝑛 − 2(0.03 𝑖𝑛)) ∗ (
25.4 𝑚𝑚
1 𝑖𝑛) = 1.651 𝑚𝑚 ; 𝑄 = 120
𝑚𝑙
𝑚𝑖𝑛
Donde 𝑒 corresponde a la rugosidad del PFA [13], 𝑙 la longitud de manguera total, 𝑣 la viscosidad
cinemática del agua [13], 𝑑𝑖 el diámetro interno calculado para la manguera de 1/8”, y 𝑄 un caudal
supuesto objetivo a manejar para la dosificación de riego.
El caudal de 120 ml/min planteado anteriormente se obtuvo como resultado de los siguientes factores:
- Debido a la sencillez de cosecha, se esperaría que inicialmente el módulo conste de una siembra
de lechugas en cada uno de los 8 espacios de cosecha por módulo hidropónico
- En promedio, una lechuga requiere máximo 1.2 litros de riego al día [14]
- Para un total de 8 lechugas por módulo, al día se esperaría regar 1.2 * 8 litros = 9.6 litros en total
por módulo
- Dividiendo el volumen total de fertirriego por día en 4 riegos [14], por cada uno de estos se
dosificarían 9.6 litros / 4 = 2.4 litros
- Si se quiera realizar el riego de 2.4 litros en 20 minutos, se esperaría manejar un caudal desde la
bomba de riego de 120 ml/min
De este modo, a través de la manguera de distribución se tendría una velocidad de flujo 𝑉 de:
𝑉 =𝑄
𝐴=
120𝑚𝑙
𝑚𝑖𝑛 ∗ (1 𝑚𝑖𝑛60 𝑠 ) ∗ (
1 𝑚3
1.000.000 𝑚𝑙)
𝜋 ∗ (
1.6511000 𝑚
2 )
2 = 0.93 𝑚/𝑠
15
Para esta velocidad de flujo, se calcula el número de Reynolds 𝑅𝑒 como:
𝑅𝑒 =𝑉 ∗ 𝑑𝑖
𝑣= 1534.71
La estimación del factor de fricción 𝑓 se realiza directamente a través de la siguiente ecuación [13]:
1
𝑓12
= −1.8 log [6.9
𝑅𝑒+ (
𝑒𝑑
3.7)
1.11
] → 𝑓 = 0.05647
Teniendo en cuenta también que el factor de fricción 𝑓 se puede reescribir como [13]:
𝑓 =ℎ
(𝑙𝑑
∗𝑉2
2𝑔)
Donde ℎ es la cabeza de pérdidas por fricción y 𝑔 la aceleración gravitacional, se estima que a lo largo
de la tubería de PFA se obtendría una pérdida por fricción de:
ℎ = 4.79 𝑚 = 0.47 𝑏𝑎𝑟
Siendo esta la mayor pérdida por fricción considerable en el sistema debido al bajo diámetro de la
manguera y caudal esperado. Para compensar las pérdidas adicionales debido a los acoples, válvula, y
cambios de diámetro de manguera que se utilicen luego en el montaje para la caracterización de las
bombas, se supone inicialmente una pérdida por fricción total del doble a la calculada para la manguera:
ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.47 𝑏𝑎𝑟 ∗ 2 = 0.94 𝑏𝑎𝑟.
Selección de bombas de riego – Resumen de requerimientos del sistema
La bomba que se implementará en el banco de pruebas hidropónico debe brindar una presión de flujo
mayor a 0.94 𝑏𝑎𝑟 según los cálculos previamente realizados. Adicionalmente, se esperaría que pueda
brindar un caudal mínimo de 2 ml/s para realizar 4 riegos durante un día, cada uno con una duración de
20 minutos. Debido a que el sistema de dosificación de riego debe tener una alta precisión para los
propósitos de investigación deseados, se establece una precisión objetivo de 0.1 ml de dosificación, con
base a los rangos de precisión discutidos en la sección Estado del arte para otros equipos en agricultura
y áreas relacionadas. Por último, en busca de una bomba de “bajo costo” se establece un costo máximo
por bomba de 1 SMMLV, equivalente a 781.242 pesos (2018). La Tabla 2 resume los requerimientos del
sistema descritos.
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Tabla 2. Resumen de requerimientos del sistema para la selección de bombas de riego
Realizando una investigación de distintas tipologías de bombas para el riego del banco de pruebas, se
encuentra que las bombas peristálticas y de diafragma podrían ser la mejor opción para implementar en
el sistema por las siguientes razones:
- Ninguno de los dos tipos de bombas tiene un contacto directo con el fluido bombeado, reduciendo
la posible corrosión y deterioro de partes móviles o estructurales de la bomba [15] [16]
- Su principio de actuación permite realizar un control preciso del flujo bombeado
o Para el caso de las bombas peristálticas, el motor de actuación controla el flujo de forma
precisa mediante un mecanismo de rodillos, que hacen deformar constantemente una
manguera flexible interna en la bomba (referirse a la Ilustración 5).
o Las bombas de diafragma entregan un volumen de líquido muy preciso por cada una de
las deformaciones que se realizan a una cámara con una membrana flexible dentro de la
bomba (referirse a la Ilustración 6).
Ilustración 5. Principio de funcionamiento de una bomba peristáltica. La bomba consta de una cámara compuesta por un rotor de
rodillos y una manguera flexible, los rotores giran haciendo que se creen cavidades de líquido en la manguera, impulsando el mismo
hacia la salida de la bomba [16]
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Ilustración 6. Principio de funcionamiento general para una bomba de diafragma. Esta consta de una cámara con una pared de
membrana flexible, el mecanismo de actuación constantemente deforma dicha membrana para succionar fluido y nuevamente empujarlo
hacia la salida de la bomba [15]
De este modo, teniendo en cuenta los requerimientos especificados en la Tabla 2, se decide realizar la
compra de las siguientes 3 bombas:
Ilustración 7. Bombas seleccionadas y adquiridas a caracterizar para el banco de pruebas hidropónico. Se muestra por cada una de las
bombas (en orden): Principio de actuación, Caudal máximo, Presión Máxima de flujo, Costo de bomba, nombre de referencia para
discusiones a lo largo del documento
Como se puede apreciar en la Ilustración 7, cada una de las bombas satisface los requerimientos del
sistema hidráulico del banco de pruebas. La bomba Amazon es adquirida como la bomba de menor costo,
con un principio de control indirecto (por voltaje) debido a que no cuenta con algún tipo de encoder o
lector de posición para saber cuánto volumen se ha dosificado. El mismo caso sucede parar la bomba
Boxer, con la diferencia que por su principio de actuación (motor de paso de 24 VDC) se sabe con
18
seguridad que se obtendrá muy buena precisión en el posicionamiento del rotor de rodillos de la bomba
(estos motores son ampliamente utilizados en impresionas 3D, CNC, entre otros, por su gran control de
posición en lazo abierto). Adicionalmente, la bomba Boxer cuenta con un rotor de 4 rodillos, en
comparación a la bomba Amazon con 3 rodillos, brindando mayor resolución en el flujo e igualmente
mejor continuidad/estabilidad de flujo a la salida del sistema. Por último, la bomba de Hanna es adquirida
debido a su principio de actuación magnético (para deformar internamente la membrana flexible de
succión y empuje), el proveedor garantiza que siempre se tendrá un mismo volumen entregado por cada
una de las actuaciones de la bomba con gran precisión (factor a evaluar durante las pruebas
experimentales).
Para la bomba Amazon se adquiere un microcontrolador Arduino Uno, de mano con un controlador de
motor DC L298 y una fuente de 12V 4A para propósitos de control del motor de la bomba. Para el caso
de la bomba Boxer, se adquiere un driver DM542T para motor de paso de 20-50 VDC 1- 4.2 A, y una
fuente de 24 VDC 10A (el driver se controlaba desde el Arduino uno utilizado en la bomba Amazon).
Por último, en la bomba de Hanna no fue necesario adquirir ningún elemento adicional de control, debido
a que su principio de control se maneja internamente mediante un potenciómetro ubicado en la parte
exterior de la bomba (dicho potenciómetro controla el tiempo entre cada una de las actuaciones de la
bomba).
Montaje experimental estándar para caracterización de bombas
Se desea realizar la caracterización de cada una de las bombas adquiridas, realizando pruebas
experimentales en un mismo montaje estándar transversal para cada una de estas. El esquema del montaje
utilizado fue el siguiente:
Ilustración 8. Montaje estándar utilizado para la caracterización de las bombas adquiridas en el proyecto
De la Ilustración 8 se resaltan dos aspectos de importancia:
- Para lograr acoplar cada una de las bombas de riego a la manguera de PFA, se debió realizar el
diseño de acoples que luego fueron impresos en 3D en TPU, material flexible que permitiría unir
las distintas secciones de manguera y sellar la conexión entre las mismas.
- La medición de caudal que se realizaría en cada una de las bombas se haría indirectamente
mediante una probeta ubicada verticalmente al final del montaje, la probeta constaría de distintas
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marcaciones de volumen que luego se utilizarían (de mano con mediciones de tiempo) para
estimar el caudal de la bomba estudiado.
La probeta ubicada verticalmente generaría una cabeza de presión en el sistema que se acumularía cada
vez más a medida que aumenta el volumen almacenado en la misma. No obstante, se calcula para la
probeta de 25 ml (la de mayor volumen utilizada en las pruebas experimentales) que habría una cabeza
de presión añadida máxima de 0.05 bar, una presión realmente despreciable en comparación con las
características de cada una de las bombas adquiridas. A continuación se muestra una imagen del montaje
experimental realizado en el laboratorio ML-204 de la Universidad de los Andes:
Ilustración 9. Montaje experimental realizado para la caracterización de bombas, constando con los elementos descritos en la Ilustración
8. Al microcontrolador Arduino Uno se realiza una adaptación mediante un Joystick, para brindar mayor facilidad de control de
voltaje/caudal en las bombas de Amazon y Boxer. Las mangueras se conectan a la bomba y a la probeta de medición mediante acoples
diseñados e impresos en 3D en TPU
20
PRUEBAS EXPERIMENTALES
Las pruebas experimentales que se realizarían para la caracterización de las bombas son las siguientes:
- Caracterización de variable de entrada de control por bomba vs. Caudal de salida (curva de
calibración) (aplica para bombas Amazon y Boxer)
- Caracterización de volumen entregado por actuación de bomba (válido para bomba Hanna)
- Estimación de precisión de dosificación por bomba a partir del caudal con mayor precisión,
fijando un volumen de dosificación objetivo (aplica para bombas Amazon y Boxer)
- Estimación de precisión de dosificación fijando un volumen objetivo a dosificar (aplica para
bomba Hanna)
Respecto a la caracterización de las bombas (y estimación de precisión de dosificación) se realizan los
siguientes diseños experimentales:
Diseño del experimento 1 – Caracterización de bombas
1. Tomar dentro del rango de la variable de entrada por bomba 10 puntos distintos (Amazon: diez
puntos de voltaje entre 0-12 VDC, Boxer: diez puntos de frecuencia de steps dentro de
configuración posible del driver).
2. Para cada uno de estos 10 puntos de entrada por bomba realizar 5 mediciones de volumen y
tiempo en la probeta.
3. Estimar el caudal entregado en cada uno de estos 10 puntos, mediante el cálculo de este asociando
la propagación de error relacionada a esta medición indirecta.
4. Construir la curva de calibración de tendencia entre variable de entrada vs. Caudal de salida en
la bomba
*Para el caso de la bomba Hanna, únicamente se realizan 10 mediciones de volumen entregado por
cada una de las actuaciones
Diseño del experimento 2 – Estimación de precisión de dosificación
1. Dentro de los puntos de caudal hallados en el Experimento 1, tomar por cada una de las bombas
el caudal con mayor precisión
2. Realizar 5 mediciones de volumen dosificado para un volumen objetivo de 20 mL
3. Estimar el volumen dosificado promedio por cada una de las bombas, teniendo en cuenta el error
asociado a esta medición
*Para la bomba Hanna, se realizan mediciones de cantidad de actuaciones necesarias para llegar al
volumen objetivo especificado, incluyendo el cálculo del error asociado al volumen total dosificado
Adicionalmente, cabe resaltar que las probetas disponibles en el laboratorio (con precisión mínima de
0.1 ml) son las siguientes:
- Probeta de 25 mL, resolución de 0.1 mL
- Probeta de 5 mL, resolución de 0.1 mL
- Probeta de 0.5 mL, resolución de 0.01 mL
Cada una de estas será utilizada en función del nivel de caudal al que se configure la bomba (para caudales
altos se utilizarían las probetas con mayor volumen, igualmente para el caso de caudales bajos las
21
probetas más pequeñas). Debido al requerimiento de precisión de 0.1 mL en resolución por probeta, el
volumen máximo que se podría acumular en estas equivaldría a 25 mL, por lo cual se decide establecer
un volumen objetivo de dosificación de 20 mL para el Experimento 2.
La metodología que se empleará para realizar las mediciones de volumen y tiempo será a través de una
cámara de alta velocidad, capaz de registrar mediciones con una precisión de hasta 240 FPS a 720p,
generando una resolución en tiempo equivalente a 4.2 milésimas de segundo para la medición de volumen
marcado en las probetas.
Detalle de cálculos a realizar
Debido a que el caudal en las pruebas experimentales será medido indirectamente, este se calculará como:
𝑄 =𝑉
𝑡
Donde 𝑄 es el caudal y 𝑉 el volumen marcado en la probeta en determinado tiempo 𝑡 (registrados en las
grabaciones de video). Las mediciones de volumen y tiempo serán promediadas para obtener un valor de
caudal promedio en cada toma de datos. Por consecuente, se debe realizar la estimación del error asociada
al volumen y al tiempo, teniendo en cuenta que:
𝛿𝑋 = √(𝐸𝑠)2 + (𝐸𝑎)2
Siendo 𝛿𝑋 es el error total de la variable (volumen, tiempo), 𝐸𝑠 es el error sistemático asociado al
instrumento de medición (𝐸𝑠 =𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛
2) (en relación a la probeta utilizada y el menor tiempo entre
cuadros del video registrado), y 𝐸𝑎 el error aleatorio de las mediciones tomadas, calculado como:
𝐸𝑎 =3 ∗ 𝜎
√𝑛
Donde 𝜎 es la desviación estándar muestral de las mediciones realizadas, y 𝑛 la cantidad de datos
tomados. Se debe realizar la propagación de error asociada al cálculo indirecto del caudal, de modo que
el error estimado para el caudal se calcularía como:
𝛿𝑄 = √(𝜕𝑄
𝜕𝑉𝛿𝑉)
2
+ (𝜕𝑄
𝜕𝑡𝛿𝑡)
2
= √(1
𝑡̅𝛿𝑉)
2
+ (−�̅�
𝑡̅2𝛿𝑡)
2
22
RESULTADOS OBTENIDOS
Experimento 1
Gráfica 1. Toma de datos de caudal calculado vs. Voltaje de salida del Arduino enviado a driver de motor de bomba Amazon. La “Curva
inicial” corresponde a la curva de calibración obtenida con la bomba completamente nueva, la “Curva final” corresponde a una curva
de calibración obtenida en la bomba luego de horas de uso y experimentación. La toma de datos se realiza con la probeta de 25 mL
Gráfica 2. Toma de datos de caudal calculado vs. Configuración de tiempo entre pulsos enviada al driver del motor de la bomba Boxer.
La configuración del driver para esta toma de datos fue de 400 pulsos/revolución. La toma de datos se realiza con la probeta de 5 mL
y = -0,1711x2 + 1,8149x - 2,5416R² = 0,9953
y = -0,2307x2 + 1,7644x - 1,7217R² = 0,977
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50
Cau
dal
cal
cula
do
[m
l/s]
Vout arduino [V]
Curva inicial
Curva final
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Cau
dal
[m
l/s]
(4
00
ste
ps/
rev)
Tiempo entre pulsos y duración de pulso [µs]
23
Gráfica 3. Toma de datos de caudal calculado vs. Configuración de tiempo entre pulsos enviada al driver del motor de la bomba Boxer.
La configuración del driver para esta toma de datos fue de 25600 pulsos/revolución, la máxima resolución que se podría alcanzar en este
montaje en términos de precisión de posición/caudal del motor. Toma de datos realizada con probeta de 0.5 mL
Gráfica 4. Toma de datos de volumen entregado por actuación de la bomba Hanna. Este experimento se replica en las probetas de 25 y 5
mL, para corroborar que la medición entre probetas sea similar (en la probeta de 25 mL las demarcaciones son poco diferenciables,
mientras que en la probeta de 5 mL las mediciones son más claras aunque con la misma resolución).
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Cau
dal
[m
l/s]
(2
56
00
ste
ps/
rev)
Tiempo entre pulsos y duración de pulso [µs]
0,4
0,8
1,2
1,6
2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Vo
lum
en
/str
oke
[m
l]
# Medición
Probeta 25 ml
Probeta 5 ml
24
Gráfica 5. Cálculo de volumen promedio entregado por cada actuación de la bomba Hanna. Se realiza el cálculo para las dos réplicas
del experimento en las probetas de 25 y 5 mL. Media probeta 25 ml: 1.2 ml, Desvest probeta 25 ml: 0.1 ml, Media probeta 5 ml: 1.2 ml,
Desvest probeta 5 ml: 0.1 ml
Experimento 2
Gráfica 6. Medición de volumen objetivo entregado en bomba Amazon, con un caudal fijo de 0.692 ml/s y un tiempo de actuación de
bomba de 28.883 s
1,10
1,12
1,14
1,16
1,18
1,20
1,22
1,24
1,26
1,28
1,30
0 1 2 3
Vo
lum
en
/str
oke
[m
l]
# Medición
Probeta 25 ml
Probeta 5 ml
18
18,5
19
19,5
20
20,5
21
21,5
22
0 2 4 6 8 10 12
Vo
lum
en
en
tre
gad
o [
ml]
# Medición
25
Gráfica 7. Cálculo de volumen objetivo promedio entregado por bomba Amazon, con un caudal fijo de 0.692 ml/s y un tiempo de
actuación de bomba de 28.883 s. Media: 19.9 ml, Desvest: 0.2 ml
Gráfica 8. Medición de volumen objetivo entregado en bomba Boxer, con un caudal fijo de 0.11 ml/s y un tiempo de actuación de bomba
de 180.25 s
19
19,2
19,4
19,6
19,8
20
20,2
20,4
20,6
20,8
21
0 1 2
Vo
lum
en p
rom
edio
en
treg
ado
[m
l]
# Medición
19,5
19,6
19,7
19,8
19,9
20
20,1
20,2
20,3
20,4
20,5
0 1 2 3 4 5 6
Vo
lum
en
en
tre
gad
o [
ml]
# Medición
26
Gráfica 9. Cálculo de volumen objetivo promedio entregado en bomba Boxer, con un caudal fijo de 0.12 ml/s y un tiempo de actuación de
bomba de 180.25 s. Media: 20.0 ml, Desvest: 0.1 ml
Gráfica 10. Medición de volumen objetivo entregado en bomba Hanna, para un total de 15 y 16 actuaciones comprendiendo en un punto
medio el volumen objetivo esperado de 20 ml.
19,5
19,6
19,7
19,8
19,9
20
20,1
20,2
20,3
20,4
20,5
0 1 2
Vo
lum
en
pro
me
dio
en
tre
gad
o [
ml]
# Medición
19
19,2
19,4
19,6
19,8
20
20,2
20,4
20,6
0 1 2 3 4 5 6
TítV
olu
men
do
sifi
cad
o [
ml]
# Medición
15 actuaciones
16 actuaciones
27
Gráfica 11. Cálculo de volumen objetivo promedio entregado entre 15 y 16 actuaciones en bomba Hanna, comprendiendo en un punto
medio el volumen objetivo esperado de 20 ml. Media 15 actuaciones: 19.1 ml, Desvest 15 actuaciones: 0.1 ml, Media 16 actuaciones:
20.3 ml, Desvest 16 actuaciones: 0.1 ml
18
18,5
19
19,5
20
20,5
21
21,5
22
14 15 16 17
Vo
lum
en p
rom
edio
en
treg
ado
[m
l]
# actuaciones en total entregadas por bomba
15 actuaciones
16 actuaciones
28
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Experimento 1 – Bomba Amazon
Gráfica 1
Para el caso de la bomba Amazon se realizaron dos curvas de calibración, una curva referida como
“inicial” corresponde a la calibración realizada con la bomba completamente nueva y sin uso, y la curva
“final” cuando la bomba ya había sido utilizada por largas horas durante el semestre en curso. El hecho
definitivo que hizo que se tuviera que realizar una segunda curva de calibración fue justamente al
momento de seleccionar el caudal más preciso para la entrega del volumen objetivo.
Tomando como referencia la curva “inicial”, se logra apreciar que un caudal del régimen de 0.696 ml/s
es el que presentaría en la bomba la menor variación (Desvest. 0.016 ml/s). Para un volumen objetivo de
20 ml, el tiempo de actuación promedio debía entonces ser:
𝑇𝑎𝑐𝑡𝐴=
𝑉𝑜𝑙𝑜𝐴
𝑄𝑝𝐴
=20 𝑚𝑙
0.692𝑚𝑙𝑠
= 28.883 𝑠
Siendo 𝑇𝑎𝑐𝑡𝐴 el tiempo total de actuación promedio de la bomba, 𝑉𝑜𝑙𝑜𝐴
el volumen objetivo a entregar
en el Experimento 2, y 𝑄𝑝𝐴 el caudal más preciso obtenido de la curva de calibración de la bomba
Amazon.
Luego de realizar estos cálculos, el Arduino Uno se configuraría para tener una salida de 2.25 V al
controlador del motor DC de la bomba Amazon, para teóricamente obtener a la salida de la bomba el
caudal más preciso esperado 𝑄𝑝, actuando la bomba por el tiempo de actuación 𝑇𝑎𝑐𝑡 y obteniendo la
entrega del volumen objetivo 𝑉𝑜𝑙𝑜. Sin embargo, para este punto del transcurso del semestre donde se
realizaría el Experimento 2 la bomba ya había tenido largas horas de uso, por lo que en general se pudo
observar el siguiente cambio de propiedades de la bomba (antes de proceder a realizar el Experimento 2
con la configuración descrita):
- La manguera interna de la bomba no tenía la misma rigidez que cuando se encontraba en estado
completamente nueva, era más flexible, por lo que el motor DC requería menos torque (menor
voltaje a la salida del Arduino hacia el controlador) para generar la misma deformación y caudal
que antes se producía
- Por el mismo hecho del cambio de propiedades mecánicas de la manguera, luego de un ciclo de
compresión con el rotor de rodillos se observa que no logra retornar completamente a su
geometría cilíndrica original, por lo que a voltajes altos la bomba no tendría la misma capacidad
de volumen de succión y generaría por tanto caudales más bajos, en comparación a los obtenidos
con los mismos voltajes altos en su estado original y nuevo
Por las razones anteriormente mencionadas, se decide realizar una segunda curva de calibración mostrada
en la Gráfica 1 como “Curva final”. En general, se logra apreciar que para voltajes menores a 3 V el
motor requería menos torque para producir una deformación en la manguera, por lo que a un mismo nivel
de voltaje respecto al estado “inicial” se obtendría un caudal mayor. De igual manera, el voltaje de
29
arranque del motor se había reducido en comparación al estado “inicial”, donde se requerían 1.96 V a la
salida del Arduino para comenzar a bombear fluido. Por esta razón, se observa que si el Arduino se
configurara para tener una salida de 2.25 V al controlador del motor (para realizar el Experimento 2 de
volumen objetivo), se obtendría un caudal mayor al seleccionado previamente como el caudal más
preciso.
Realmente al Arduino se debió realizar un ajuste en voltaje para lograr obtener a la salida de la bomba
un caudal de salida 𝑄𝑝 = 0.692 𝑚𝑙/𝑠, como se logra apreciar en la “Curva final” de calibración. Si esta
curva se extendiera por debajo de 1.96 V, el voltaje que correspondería para obtener este mismo caudal
𝑄𝑝 en la bomba equivaldría a 1.82 V. Este fue el procedimiento realizado para lograr proceder con las
pruebas del Experimento 2.
En general, se aprecia que a largo plazo la bomba Amazon cambia sus características funcionales, en
relación al cambio de propiedades mecánicas que se generan en la manguera flexible interna. Puede que
este hecho sea causado por ejemplo en razón a un tiempo de “estabilización” necesario para el
funcionamiento de la bomba. Tal vez después de determinadas horas de uso se logre alcanzar estabilidad
funcional sin mayores cambios en su calibración (se podría también tener en cuenta cambiar el material
del que está fabricada esta manguera). Sin embargo, debido a que este estudio no ha sido comprobado,
se concluye que a largo plazo la bomba podría generar dosificaciones equívocas en el banco de pruebas.
Experimento 2 – Bomba Amazon
Gráficas 6 y 7
Para lograr obtener un caudal de salida de la bomba Amazon equivalente a 𝑄𝑝, como se mencionó
anteriormente, se configura el Arduino Uno a un voltaje de salida al controlado del motor de 1.82 V. El
tiempo de actuación de la bomba sería de 𝑇𝑎𝑐𝑡 = 28.883 𝑠 para obtener un volumen objetivo promedio
cercano al esperado de 20 ml. En la Gráfica 6 se muestran los resultados obtenidos para el caso de 10
repeticiones del Experimento 2 en la bomba Amazon. En promedio, se obtuvo un volumen objetivo de
19.9 ml con una desviación de 0.2 ml (referirse a Gráfica 7). Retomando los requerimientos del sistema
hidráulico para el riego del banco de pruebas mostrados en la Tabla 2, directamente se logra apreciar que
la bomba Amazon no cumple con el criterio de Precisión de dosificación mínima, ya que la desviación
estándar de dosificación supera el régimen de 0.1 ml establecidos para la selección de bombas.
Experimento 1 – Bomba Boxer
Gráficas 2 y 3
La bomba Boxer es un caso muy particular entre las bombas preseleccionadas para caracterización en
este proyecto. Debido a que el motor de paso era controlado desde un driver configurable dentro de un
rango de 400 – 25600 pulsos/revolución, era de esperarse que se pudieran alcanzar con esta bomba
caudales muy bajos en comparación a la bomba Amazon y Hanna. Por este principio de control, se decide
realizar una curva de calibración correspondiente a una configuración de 400 pulsos/revolución (Gráfica
2), y otra con 25600 pulsos/revolución (Gráfica 3), siendo esta última la máxima resolución posible en
posición configurable para este controlador.
Tomando como referencia la Gráfica 2, se logra observar que a medida que el caudal de salida de la
bomba se reduce, de igual manera se vuelve menor el error asociado al nivel de flujo. Adicionalmente,
30
se debía tener en cuenta que el caudal seleccionado para pruebas de volumen objetivo en el Experimento
2 permitiera realizar los ensayos dentro de un margen de tiempo considerable (en caso por ejemplo de
elegir un caudal del orden de 0.01 ml/s (Gráfica 3), donde aumentarían en gran medida los tiempos de
dosificación). En consecuencia a este comportamiento obtenido, se decide tomar como caudal “preciso”
de referencia el punto de 0.12 ml/s mostrado en la Gráfica 2, con el cual se obtuvo un error asociado al
nivel de flujo de 0.01 ml/s. Para este caudal de salida, se configura el Arduino Uno para enviar pulsos
cada 5500 𝜇𝑠 con una duración de igual magnitud.
El tiempo de actuación promedio de la bomba correspondiente al nivel de caudal elegido se calcularía
como:
𝑇𝑎𝑐𝑡𝐵=
𝑉𝑜𝑙𝑜𝐵
𝑄𝑝𝐵
=20 𝑚𝑙
0.11𝑚𝑙𝑠
= 180.25 𝑠
Siendo 𝑇𝑎𝑐𝑡𝐵 el tiempo total de actuación promedio de la bomba, 𝑉𝑜𝑙𝑜𝐵
el volumen objetivo a entregar
en el Experimento 2, y 𝑄𝑝𝐵 el caudal más preciso seleccionado de la curva de calibración de la bomba
Boxer.
Experimento 2 – Bomba Boxer
Gráfica 8 y 9
Luego de seleccionar el caudal 𝑄𝑝𝐵 al cual entregar el volumen objetivo de 20 ml en la bomba Boxer, se
obtienen las mediciones que se muestran en la Gráfica 8 para un total de 5 repeticiones. Como era de
esperarse, se puede apreciar directamente en esta gráfica que el control de dosificación con esta bomba
es muy bueno, en términos de la repetibilidad de las mediciones y la poca imprecisión que hubo entre las
repeticiones. En promedio, el volumen entregado por la bomba Boxer fue de 20.0 ml con una desviación
de 0.1 ml (referirse a la Gráfica 9). Se puede concluir respecto a la Tabla 2 que esta bomba cumple con
el requerimiento de precisión de dosificación mínima de 0.1 ml, por lo cual se tiene en cuenta más
adelante para la selección final de la bomba a implementar en el banco de pruebas.
Experimento 1 – Bomba Hanna
Gráfica 4 y 5
La caracterización de la bomba Hanna varía respecto a la realizada para las otras bombas debido a su
principio de funcionamiento. Ya que la bomba teóricamente envía en cada repetición un mismo volumen
de líquido, justamente debía determinarse cuánto era ese volumen entregado por actuación y cual era la
imprecisión asociada. En la Gráfica 4 se observan los resultados obtenidos al momento de caracterizar
la bomba Hanna, utilizando una probeta de 5 y 25 ml. Nuevamente, como era de esperarse se tiene una
muy buena precisión de volumen dosificado por cada una de las actuaciones de la bomba, como
consecuencia de la poca variabilidad que se observa entre cada una de las tomas de datos.
En promedio, se observa que el volumen entregado por actuación corresponde a 1.2 ml con desviación
de 0.1 ml para la prueba con la probeta de 25 ml, y para la probeta de 5 ml el volumen promedio medido
fue de 1.2 ml con desviación de 0.1 ml (ver Gráfica 5). Se decidió realizar este experimento utilizando
dos tamaños de probetas distintos debido a que, respecto a la probeta de 25 ml, las demarcaciones físicas
31
en la probeta en algunas mediciones se hacían poco diferenciables, mientras que en la probeta de 5 ml
las demarcaciones estaban más espaciadas y se identificaba con mayor certeza la medición de volumen.
No obstante, al aproximar los resultados de los cálculos al mismo nivel de precisión que el manejado en
la instrumentación utilizada, se observa que se obtiene una misma media y desviación de volumen por
actuación en las dos probetas.
Era necesario estimar cuanto es el volumen entregado por actuación en la bomba Hanna de modo que
pudiera calcularse la cantidad de actuaciones necesarias para dosificar determinado volumen. En
resumen, el volumen entregado por actuación se puede reescribir como:
𝑉𝑎𝑐𝑡𝐻= (1.2 ± 0.1) 𝑚𝑙
A partir de la teoría clásica de propagación de error, si se quisiera realizar la dosificación de un volumen
objetivo de 20 ml, aproximadamente se necesitarían 17 actuaciones en la bomba Hanna para dosificar en
promedio 20.4 ml, con un error/desviación correspondiente a la cantidad de actuaciones multiplicada por
la desviación de dosificación por actuación (1.7 ml). En otras palabras:
𝑉 = 20𝑚𝐿 →≈ 17 𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 → 𝑉 = 17 ∗ 𝑉𝑎𝑐𝑡𝐻= (20.4 ± 1.7)𝑚𝐿
No obstante, este error estimado de 1.7 ml es muy alto en comparación a los requerimientos de precisión
de dosificación previamente especificados en la Tabla 2 (0.1 ml). Como veremos a continuación, la teoría
clásica de propagación de error realmente no es muy concluyente respecto al comportamiento real de
precisión en la bomba Hanna (dado a que es una teoría muy conservativa, sumando por cada actuación
la misma magnitud de imprecisión, cuando realmente por cada actuación puede haber errores mayores o
menores sumándose y restándose).
Experimento 2 – Bomba Hanna
Gráfica 10 y 11
Para realizar la dosificación de 20 ml objetivo, se requirió realizar en la bomba Hanna entre 15 – 16
actuaciones para obtener un volumen dosificado promedio cercano al esperado. En la Gráfica 10 se
pueden observar las mediciones realizadas en el experimento, donde por 15 actuaciones se obtuvo un
volumen promedio dosificado de 19.1 ml con una desviación de 0.1 ml, mientras que para 16 actuaciones
el volumen entregado promedio fue de 20.3 ml con desviación de 0.1 ml (referirse a la Gráfica 11). Se
puede observar que para cualquiera de los dos totales de actuaciones realizadas el error nunca fue mayor
a 0.1 ml, cumpliendo con el requerimiento de precisión de dosificación establecido en la Tabla 2. De
igual manera, se puede apreciar directamente que estos errores son mínimos en comparación al error
teórico calculado por la teoría clásica de propagación de error mostrada en la sección anterior
(Experimento 1 – Bomba Hanna).
Si se quisiera implementar una bomba como la Hanna en el banco de pruebas hidropónico, el mayor
requerimiento/restricción estaría ligado a siempre dosificar un volumen objetivo que sea múltiplo
cercano del volumen entregado por actuación en la bomba. De este modo, el volumen real dosificado
tendría gran precisión y exactitud. No obstante, en caso de desear dosificar un volumen distinto a un
múltiplo del entregado por actuación, se obtendría también gran precisión pero la exactitud se vería
reducida, tal y como sucedió en los resultados mostrados en la Gráfica 10 donde el promedio de volumen
entregado en 16 actuaciones se diferencia del objetivo por 0.3 ml.
32
CONCLUSIONES
A continuación se presenta un cuadro comparativo entre las bombas caracterizadas y ensayadas a lo largo
de este proyecto, en relación a los requerimientos establecidos en la Tabla 2 para determinar si cumple o
no con cada uno de estos:
Tabla 3. Resumen de requerimientos del sistema de dosificación comparados a las bombas estudiadas en este proyecto, verificando por
bomba si se cumple o no con cada uno de los requerimientos
Cualquiera de las 3 bombas satisface una presión mínima de flujo mayor a 1 bar, caudal mínimo de 2
ml/s, y costo máximo de 1 SMMLV (2018). Sin embargo, como se mencionaba anteriormente, la bomba
Amazon tiene una precisión menor a la establecida de 0.1 ml, por lo cual esta bomba se descarta para su
implementación en el banco de pruebas. Las bombas Boxer y Hanna en términos de precisión son
exactamente similares y cumplen con el requerimiento especificado. No obstante, el factor decisivo entre
estas dos bombas radicaría principalmente en la estabilidad funcional de la bomba a largo plazo.
La bomba Hanna tiene características de integridad estructural, materiales de manufactura, conformación
y diseño de la bomba mejores en comparación a la bomba Boxer, en términos de vida útil y calidad de
los materiales en cada una de estas. La bomba Hanna es un equipo diseñado específicamente para
industria y aplicaciones de gran precisión, donde se requiere estabilidad funcional, mantenimiento
mínimo a mediano plazo, y materiales resistentes a todo tipo de condiciones adversas en el ambiente de
instalación de la bomba. Por otro lado, la bomba Boxer sigue estando sujeta a posibles cambios
funcionales por las propiedades mecánicas de la manguera flexible interna, al igual a como sucedió con
la bomba Amazon demostrado por las curvas de calibración de la Gráfica 1. Por estas razones, se llega a
determinar que la bomba Hanna sería la más adecuada a implementar en el banco de pruebas hidropónico,
teniendo en cuenta la principal restricción de elegir un volumen dosificado objetivo múltiplo del volumen
entregado por actuación de la bomba.
33
TRABAJO A FUTURO
Existe una gran cantidad de tareas que a futuro se podrían implementar bien sea, en el banco de pruebas
general de este proyecto, como también respecto a los montajes y pruebas realizadas para la
caracterización de las bombas. Las tareas se detallan a continuación:
- Los materiales de los acoples utilizados para las mangueras y bombas se deben mejorar, ya que
los utilizados en este proyecto fueron impresos en 3D en material de TPU, sin garantizar
completamente una compatibilidad química del material respecto a los aditivos que se esperan
tener en la solución de nutrientes.
- Sería pertinente realizar una segunda caracterización de la bomba Hanna, considerando que esta
debe ser llevada a garantía ya que durante los ensayos presentaba una fuga de agua en la cámara
de succión. Igualmente, dado a que se observó que esta bomba es muy precisa respecto al volumen
que entrega por actuación, sería adecuado poder contar con un instrumento de medición de
volumen con mayor resolución, para lograr identificar con mayor certeza hasta qué nivel de
precisión se puede llegar con esta bomba.
- El tamaño de manguera se podría aumentar. El diámetro de manguera utilizado en este proyecto
únicamente se especificó debido al tamaño de válvula conmutadora que se logró obtener dentro
del presupuesto establecido para el proyecto. De esta manera, se reducirían las pérdidas por
fricción en el sistema, y habría mayor área para paso de sistemas particulados en caso de que la
solución nutritiva los llegue a tener.
- La válvula conmutadora debe automatizarse en caso de que se quiera un banco de pruebas
hidropónico completamente automatizado. Existen otras opciones de válvulas de bola
motorizadas con mayor diámetro disponibles en el mercado que se podrían implementar en el
banco de pruebas.
- A la bomba de Hanna se debe implementar un sistema de control externo para las actuaciones, de
modo que si por ejemplo, desde un módulo Arduino se calcula que se deban realizar X cantidad
de actuaciones para entregar Y determinado volumen promedio, automáticamente se puedan
realizar con señales enviadas desde el Arduino hacia la bomba, garantizando la dosificación del
volumen esperado.
- Las pruebas de dosificación de volumen objetivo deben repetirse utilizando un volumen de
dosificación cercano al que se esperaría realmente dosificar por riego en el banco de pruebas.
Para este proyecto se eligió un volumen objetivo de 20 ml debido a las restricciones de
instrumentación en el laboratorio de la universidad, no obstante, de poder tener instrumentación
con mayor capacidad de volumen e igual precisión sería más adecuado, para hacer pruebas de
dosificación con volúmenes mayores.
34
REFERENCIAS
[1] M. L. J. H. Raviv, Soilless Culture: Theory and Practice, Oxford: Elsevier BV, 2008.
[2] M. Asaduzzaman, Controlled Environment Agriculture : Production of Specialty Crops Providing Human Health
Benefits Through Hydroponics, New York: Nova Science Publishers, 2016.
[3] P. W. Yitayew, Irrigation and Drainage Engineering, Switzerland: Springer, 2016.
[4] J. D. L.-C. E. L. Bruk E. Belayneh, «Costs and benefits of implementing sensor-controlled irrigation in a commercial
pot-in-pot,» HortTechnology, vol. 23, nº 6, pp. 760-769, 2013.
[5] M. V. I. K. S. Nemali, «"An automated system for controlling drought stress and irrigation in potted plants,» Sci. Hortic.,
vol. 110, nº 3, pp. 292-297, 2006.
[6] S. S. P. Singh, «Arduino-based smart irrigation using water flow sesnsor, soil moisture sensor, temperature sensor and
ESP8266 WiFi module,» IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), pp. 1-4, 2016.
[7] G. N. H. P. D. Savvas, «Plant nutrition and physiological disorders in greenhouse grown tomato, pepper and effplant,»
Eur. J. Plant Sci. Biotechnol., 2008.
[8] P. P. D. S. S. D'souza, «Expert Review Methods to Assess in Vitro Drug Release from Injectable Polymeric Particulate
Systems,» Pharm. Res., vol. 23, nº 3, 2006.
[9] D. T. K. D. P. S. S. P. Dubik, «Influence of root zone restriction on mineral element concentration, water potential,
chlorophyll concentration, and partitioning of assimilate in spreading euonymus (E. Kiautschovica Loes.
'Sieboldiana'),» J. Plant Nutr., vol. 13, nº 6, pp. 677-699, 1990.
[10] R. Norton, Diseño de Maquinaria, Massachusetts: Mc Graw Hill, 2009.
[11] G. Barbieri, «A small-scale flexible test bench for the investigation of fertigation,» World Academy of Science,
Engineering and Technology, vol. 13, nº 1, 2019.
[12] Swagelok, «Válvulas de bola Servicio general y aplicaciones especiales,» Swagelok, 2017. [En línea]. Available:
https://www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/es/MS-01-146.pdf. [Último acceso: 02 09 2018].
[13] F. M. White, Fluid Mechanics, New York: Mc Graw Hill, 2011.
[14] A. Saenz, Interviewee, Entrevista a Andrés Saenz, dueño de Saenz Fety, compañía especializada en desarrollo de
cultivos hidropónicos entre otros. [Entrevista]. 02 09 2018.
[15] R. J. Borges, «Bomba con diafragma de disco con accionamiento hidráulico,» ResearchGate, 2012. [En línea].
Available: https://www.researchgate.net/figure/Figura-14-Bomba-con-diafragma-de-disco-con-accionamiento-
hidraulico-Fuente-Bombas-de_fig2_320003171. [Último acceso: 05 09 2018].
[16] Watson-Marlow Fluid Technology Group, «¿Cómo funcionan las bombas peristálticas?,» Watson-Marlow Fluid
Technology Group, 2018. [En línea]. Available: https://www.watson-marlow.com/ar-es/support/how-do-peristaltic-
pumps-work-sanitary/. [Último acceso: 05 09 2018].
35
ANEXOS
Tablas de datos obtenidas durante los experimentos
Caracterización de bomba Amazon – Curva de calibración 1
0 0,00 0 0,01 0,00 0,01
5 0,10 0,89 0,01 0,02 0,01
10 0,20 1,13 0,01 0,06 0,01
15 0,29 1,38 0,01 0,12 0,01
20 0,39 1,63 0,01 0,21 0,01
25 0,49 1,88 0,01 0,30 0,01
30 0,59 2,12 0,01 0,41 0,01
35 0,69 2,37 0,01 0,51 0,01
40 0,78 2,62 0,01 0,66 0,01
45 0,88 2,86 0,01 0,77 0,01
50 0,98 3,10 0,01 0,87 0,01
55 1,08 3,35 0,01 1,00 0,01
60 1,18 3,60 0,01 1,16 0,01
65 1,27 3,84 0,01 1,33 0,01
70 1,37 4,09 0,01 1,45 0,01
75 1,47 4,33 0,01 1,61 0,01
80 1,57 4,58 0,01 1,75 0,01
85 1,67 4,83 0,01 1,93 0,01
90 1,76 5,07 0,01 2,07 0,01
95 1,86 5,32 0,01 2,23 0,08
100 1,96 5,57 0,01 3,11 0,66 13,07 1,47 4,0 0,1 0,31 0,035
105 2,06 5,81 0,01 3,44 0,88
110 2,16 6,06 0,01 4,16 0,97
115 2,25 6,30 0,01 4,53 0,64 5,78 0,12 4,0 0,1 0,69 0,016
120 2,35 6,55 0,01 5,09 0,56
125 2,45 6,80 0,01 5,41 0,69
130 2,55 7,04 0,01 5,68 0,66
135 2,65 7,28 0,01 6,13 0,62 3,61 0,08 4,0 0,1 1,11 0,029
140 2,75 7,53 0,01 6,64 0,47
145 2,84 7,78 0,01 6,86 0,43
150 2,94 8,02 0,01 7,00 0,32 2,95 0,05 4,0 0,1 1,36 0,030
155 3,04 8,27 0,01 7,38 0,36
160 3,14 8,51 0,01 7,50 0,37
165 3,24 8,76 0,01 7,80 0,32
170 3,33 9,00 0,01 8,09 0,28 2,47 0,03 4,0 0,1 1,62 0,030
175 3,43 9,24 0,01 8,17 0,27
180 3,53 9,49 0,01 8,46 0,34
185 3,63 9,73 0,01 8,60 0,33 2,22 0,06 4,0 0,1 1,80 0,051
190 3,73 9,98 0,01 8,69 0,17
195 3,82 10,22 0,01 8,91 0,20
200 3,92 10,46 0,01 8,90 0,10
205 4,02 10,70 0,01 9,16 0,21 2,07 0,02 4,0 0,1 1,94 0,029
210 4,12 10,94 0,01 9,27 0,20
215 4,22 11,17 0,01 9,40 0,14
220 4,31 11,40 0,01 9,46 0,19 1,95 0,03 4,0 0,1 2,05 0,040
225 4,41 11,62 0,01 9,56 0,17
230 4,51 11,83 0,01 9,67 0,12
235 4,61 12,02 0,01 9,77 0,09
240 4,71 12,19 0,01 9,89 0,09 1,84 0,04 4,0 0,1 2,18 0,052
245 4,80 12,32 0,01 9,95 0,11
250 4,90 12,40 0,01 10,14 0,04
255 5,00 12,42 0,01 10,59 0,05 1,72 0,03 4,0 0,1 2,33 0,055
Caudal
promedio
[ml/s]
Error propagado
total Caudal
[ml/s]
Toma de datos caudal - Probeta 25 ml
Bomba Amazon
Error total
Volumen [ml]
Tiempo
promedio [s]
Volumen
promedio [ml]
Error total
Tiempo [s]
Error total Vout
(con carga) [V]
Calibración PWM - Vout driver
Error total Vout
(sin carga) [V]PWM [adim]
Vout driver prom
(sin carga) [V]
Vout driver prom
(con carga) [V]
Vout arduino
[V]
36
Caracterización de bomba Amazon – Curva de calibración 2
Caracterización de bomba Boxer
100 1,96 4,81 0,18 4,0 0,1 0,83 0,032
115 2,25 3,59 0,09 4,0 0,1 1,11 0,030
135 2,65 2,95 0,06 4,0 0,1 1,36 0,032
150 2,94 2,74 0,12 4,0 0,1 1,46 0,068
170 3,33 2,60 0,13 4,0 0,1 1,54 0,077
185 3,63 2,42 0,05 4,0 0,1 1,65 0,038
205 4,02 2,41 0,12 4,0 0,1 1,66 0,085
220 4,31 2,52 0,14 4,0 0,1 1,59 0,092
240 4,71 2,58 0,15 4,0 0,1 1,55 0,092
255 5,00 3,13 0,60 4,0 0,1 1,28 0,247
Bomba Amazon
Calibración PWM - Vout driver Toma de datos caudal - Probeta 25 ml
PWM [adim] Vout arduino [V]Caudal promedio
[ml/s]
Error propagado total
Caudal [ml/s]
Error total Tiempo
[s]
Volumen
promedio [ml]
Error total
Volumen [ml]
Tiempo
promedio [s]
5 0,44 0,07 1,0 0,1 2,29 0,395
60 0,48 0,05 1,0 0,1 2,11 0,240
115 0,57 0,02 1,0 0,1 1,76 0,112
170 0,61 0,02 1,0 0,1 1,63 0,091
225 0,63 0,01 1,0 0,1 1,58 0,082
280 0,64 0,03 1,0 0,1 1,56 0,112
335 0,66 0,02 1,0 0,1 1,52 0,085
390 0,72 0,03 1,0 0,1 1,39 0,085
445 0,78 0,03 1,0 0,1 1,29 0,085
500 0,87 0,03 1,0 0,1 1,15 0,066
1000 1,63 0,02 1,0 0,1 0,62 0,031
1500 2,47 0,13 1,0 0,1 0,41 0,030
3000 5,01 0,03 1,0 0,1 0,20 0,010
5500 9,01 0,03 1,0 0,1 0,11096 0,006
8000 12,92 0,45 1,0 0,1 0,08 0,005
10500 16,99 0,17 1,0 0,1 0,06 0,003
13000 21,13 0,13 1,0 0,1 0,05 0,002
15500 25,13 0,15 1,0 0,1 0,04 0,002
5 1,71 0,07 0,10 0,01 0,059 0,005
100 2,78 0,18 0,10 0,01 0,036 0,004
200 3,97 0,12 0,10 0,01 0,025 0,002
300 5,16 0,24 0,10 0,01 0,019 0,002
400 6,38 0,21 0,10 0,01 0,016 0,001
500 7,57 0,07 0,10 0,01 0,013 0,001
5000 5,32 0,67 0,02 0,01 0,004 0,001
10000 10,39 0,69 0,02 0,01 0,0019 0,0007
15000 5,78 0,58 0,01 0,01 0,0017 0,0013
Toma de datos caudal
Tiempo entre
pulsos [µs]
Configuración
driver [steps/rev]
Tiempo Δ
promedio [s]
Error total
Tiempo Δ [s]
Volumen
promedio [ml]
Error total
Volumen [ml]
25600 steps/rev
400 steps/rev
Caudal promedio
[ml/s]
Error propagado total
Caudal [ml/s]
37
Caracterización de bomba Hanna
Vo
lum
en
me
did
o [
ml]
(to
ma
1)
Dif
f. V
olu
me
n
[ml]
(to
ma
1)
Vo
lum
en
me
did
o [
ml]
(to
ma
2)
Dif
f. V
olu
me
n
[ml]
(to
ma
2)
Vo
lum
en
me
did
o [
ml]
(to
ma
1)
Dif
f. V
olu
me
n
[ml]
(to
ma
1)
Vo
lum
en
me
did
o [
ml]
(to
ma
2)
Dif
f. V
olu
me
n
[ml]
(to
ma
2)
Vo
lum
en
me
did
o [
ml]
(to
ma
3)
Dif
f.
Vo
lum
en
[ml]
(to
ma
3)
Vo
lum
en
me
did
o [
ml]
(to
ma
4)
Dif
f.
Vo
lum
en
[ml]
(to
ma
4)
10,
1-
0,8
--2
,1-1
,9-1
,4-1
,9
21,
31,
22,
11,
3-0
,91,
2-0
,81,
1-0
,21,
2-0
,71,
2
32,
61,
33,
31,
20,
31,
20,
41,
21
1,2
0,4
1,1
43,
91,
34,
61,
31,
51,
21,
61,
22,
21,
21,
61,
2
55,
11,
25,
81,
22,
71,
22,
81,
23,
51,
32,
71,
1
66,
41,
37
1,2
3,8
1,1
4,1
1,3
3,9
1,2
77,
61,
28,
31,
3
88,
81,
29,
61,
3
910
,11,
310
,81,
2
1011
,41,
312
,11,
3
1112
,61,
213
,41,
3
1213
,81,
214
,71,
3
1315
1,2
15,9
1,2
1416
,21,
217
,11,
2
1517
,41,
218
,31,
2
1618
,71,
319
,61,
3
1719
,91,
220
,81,
2
1821
,11,
222
1,2
1922
,21,
123
,21,
2
Tom
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[ml]
1,
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19
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ml]
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ml]
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Erro
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olu
me
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tro
ke
[ml]
0,06
0,06
38
Códigos utilizados para programación del Arduino
Bomba Amazon
#define joystick_switch_pin 2
#define joystick_x_pin A0
#define joystick_y_pin A1
#define pwmPump 9
int IN1 = 8;
int IN2 = 7;
int posJ = 0;
int cond = 255;
int volt = cond;
int pump = 0;
int SwitchValue = 0;
int X_Axis = 0;
int Y_Axis = 0;
int pressSwitch = 0;
int reset = 0;
int turn = 0;
int changeTurn = 0;
int timer1 = 0;
int timer2 = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(joystick_switch_pin, INPUT_PULLUP);
pinMode (pwmPump, OUTPUT);
pinMode (IN1, OUTPUT);
pinMode (IN2, OUTPUT);
Serial.println("Pump: OFF");
Serial.print("PWM = ");
Serial.println(volt);
digitalWrite(IN1, HIGH);
digitalWrite(IN2, LOW);
Serial.println("Rot. Direct.: PUSH (CW)");
analogWrite(pwmPump, 0);
}
void loop()
{
X_Axis = analogRead(joystick_x_pin);
Y_Axis = analogRead(joystick_y_pin);
Y_Axis = map(Y_Axis, 0, 1023, 1023, 0);
SwitchValue = digitalRead(joystick_switch_pin);
SwitchValue = map(SwitchValue, 0, 1, 1, 0);
39
if (SwitchValue == 1)
{
if (pump == 0 and pressSwitch == 0)
{
pump = 1;
analogWrite(pwmPump, volt);
Serial.println("Pump: ON");
Serial.print("PWM = ");
Serial.println(volt);
pressSwitch = 1;
}
else if (pump == 1 and pressSwitch == 0)
{
pump = 0;
analogWrite(pwmPump, 0);
Serial.println("Pump: OFF");
Serial.println("PWM = 0");
pressSwitch = 1;
}
}
else if (SwitchValue == 0)
{
pressSwitch = 0;
}
if (Y_Axis > 450 and Y_Axis < 580)
{
posJ = 0;
}
else if (posJ == 0)
{
if (Y_Axis > 900)
{
posJ = 1;
if (volt < 255)
{
volt = volt + 5;
if (pump == 1)
{
analogWrite(pwmPump, volt);
}
}
else
{
volt = 255;
if (pump == 1)
40
{
analogWrite(pwmPump, volt);
}
}
Serial.print("PWM = ");
Serial.println(volt);
}
else if (Y_Axis < 100)
{
posJ = 1;
if (volt > 0)
{
volt = volt - 5;
if (pump == 1)
{
analogWrite(pwmPump, volt);
}
}
else
{
volt = 0;
if (pump == 1)
{
analogWrite(pwmPump, volt);
}
}
Serial.print("PWM = ");
Serial.println(volt);
}
}
if (X_Axis < 100 and reset == 0)
{
volt = cond;
Serial.print("PWM = ");
Serial.println(volt);
reset = 1;
timer1 = millis();
analogWrite(pwmPump, volt);
delay(28883.33333);
analogWrite(pwmPump, 0);
timer2 = millis();
Serial.println(timer2 - timer1);
if (pump == 1)
{
analogWrite(pwmPump, volt);
}
41
}
else if (X_Axis > 450 and X_Axis < 560)
{
reset = 0;
changeTurn = 0;
}
else if (X_Axis > 900)
{
if (turn == 0 and changeTurn == 0)
{
digitalWrite(IN1, HIGH);
digitalWrite(IN2, LOW);
changeTurn = 1;
turn = 1;
Serial.println("Rot. Direct.: PULL (CCW)");
}
if (turn == 1 and changeTurn == 0)
{
digitalWrite(IN1, LOW);
digitalWrite(IN2, HIGH);
changeTurn = 1;
turn = 0;
Serial.println("Rot. Direct.: PUSH (CW)");
}
}
delay(10);
}
Bomba Boxer
#define joystick_switch_pin 2
#define joystick_x_pin A0
#define joystick_y_pin A1
#define pulPump 5
#define dirPump 6
int hey = 5500;
int tdelay = hey;
int posJ = 0;
int pump = 0;
int SwitchValue = 0;
int X_Axis = 0;
int Y_Axis = 0;
int pressSwitch = 0;
int reset = 0;
int turn = 0;
42
int changeTurn = 0;
int diff = 500;
int timer1 = 0;
int timer2 = 0;
void setup()
{
//Serial.begin(9600);
pinMode(joystick_switch_pin, INPUT_PULLUP);
pinMode(pulPump, OUTPUT);
pinMode(dirPump, OUTPUT);
digitalWrite(pulPump, LOW);
digitalWrite(dirPump, HIGH);
//Serial.println("Pump: OFF");
//Serial.print("PWM = ");
//Serial.println(volt);
//Serial.println("Rot. Direct.: PUSH (CW)");
}
void loop()
{
X_Axis = analogRead(joystick_x_pin);
Y_Axis = analogRead(joystick_y_pin);
Y_Axis = map(Y_Axis, 0, 1023, 1023, 0);
SwitchValue = digitalRead(joystick_switch_pin);
SwitchValue = map(SwitchValue, 0, 1, 1, 0);
if (SwitchValue == 1)
{
if (pump == 0 and pressSwitch == 0)
{
pump = 1;
//Serial.println("Pump: ON");
//Serial.print("PWM = ");
//Serial.println(volt);
pressSwitch = 1;
//timer1 = millis();
}
else if (pump == 1 and pressSwitch == 0)
{
pump = 0;
//Serial.println("Pump: OFF");
//Serial.println("PWM = 0");
pressSwitch = 1;
}
}
else if (SwitchValue == 0)
43
{
pressSwitch = 0;
}
if (Y_Axis > 450 and Y_Axis < 580)
{
posJ = 0;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
else if (posJ == 0)
{
if (Y_Axis > 900)
{
posJ = 1;
if (tdelay < 30000 and tdelay >= 500)
{
tdelay = tdelay + diff;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
else if (tdelay >= 5 and tdelay < 500)
{
tdelay = tdelay + 5;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
else
{
44
tdelay = 30000;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
//Serial.print("PWM = ");
//Serial.println(volt);
}
else if (Y_Axis < 100)
{
posJ = 1;
if (tdelay > 500)
{
tdelay = tdelay - diff;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
else if (tdelay > 5 and tdelay <= 500)
{
tdelay = tdelay - 5;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
else
{
tdelay = 5;
}
//Serial.print("PWM = ");
//Serial.println(volt);
}
}
if (X_Axis < 100 and reset == 0)
{
tdelay = hey;
45
//Serial.print("PWM = ");
//Serial.println(volt);
reset = 1;
if (pump == 1)
{
digitalWrite(pulPump, HIGH);
delayMicroseconds(tdelay);
digitalWrite(pulPump, LOW);
delayMicroseconds(tdelay);
}
}
else if (X_Axis > 450 and X_Axis < 560)
{
reset = 0;
changeTurn = 0;
}
else if (X_Axis > 900)
{
if (turn == 0 and changeTurn == 0)
{
digitalWrite(dirPump, LOW);
changeTurn = 1;
turn = 1;
//Serial.println("Rot. Direct.: PULL (CCW)");
}
if (turn == 1 and changeTurn == 0)
{
digitalWrite(dirPump, HIGH);
changeTurn = 1;
turn = 0;
//Serial.println("Rot. Direct.: PUSH (CW)");
}
}
}
