SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO DEL
EFECTO DE LA RADIACIÓN PAR EN LAS PLANTAS
Autor:
_________________________________ Jeisson Eduardo Forero
Cód.: 20092005036
Director:
________________________________ Cesar Andrey Perdomo Charry
Grupo de investigación LASER
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad de Ingeniería
Proyecto Curricular de Ingeniería Electrónica
Bogotá DC, Colombia
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SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO DEL
EFECTO DE LA RADIACIÓN PAR EN LAS PLANTAS
Autor:
_________________________________ Jeisson Eduardo Forero
Cód.: 20092005036
Jurado:
________________________________ Jaime Humberto Angulo Parada
Docente Universidad Distrital F.J.C
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad de Ingeniería
Proyecto Curricular de Ingeniería Electrónica
Bogotá DC, Colombia
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SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO DEL
EFECTO DE LA RADIACIÓN PAR EN LAS PLANTAS
Autor:
Jeisson Eduardo Forero 20092005036
Trabajo de grado para optar al título de:
Ingeniero Electrónico
Director
Cesar Andrey Perdomo Charry
Grupo de investigación LASER
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad de Ingeniería
Proyecto Curricular de Ingeniería Electrónica
Bogotá DC, Colombia
4 RESUMEN
Con el auge de la tecnología LED Y gracias a sus características monocromáticas
y de directividad son ampliamente utilizadas como iluminación en el hogar y para
múltiples aplicaciones industriales, actualmente en algunos países
industrializados alrededor del mundo han tenido gran acogida los desarrollos
basados en tecnología LED de alta potencia, aplicados en plantas en
especial ornamentales o plantas de jardín utilizadas con fines de decoración y
hortícolas las cuales incluyen hortalizas, floricultura (producción de flor de corte),
fruticultura, especies aromáticas y medicinales.
Esta investigación plantea el desarrollo de una herramienta para el estímulo de la
respuesta fisiológica de las plantas presentes en la industria hortícola regional,
en especial de la fotosíntesis, a partir del diseño de un sistema de iluminación
basado en un estudio previo de sistemas de iluminación artificial y la actual
migración a sistemas de iluminación con tecnología LED y OLED cuyo espectro de
radiación esta dado en una banda especifica lo que proporciona un menor gasto
de potencia, y facilita irradiar la planta con la parte del espectro especifico que ella
necesita. Habitualmente los vegetales utilizan la luz desde los 400nm hasta los
700 nm para la fotosíntesis (conocida como radiación PAR, radiación
fotosintéticamente activa -Photosynthetic Active Radiación- o luz de crecimiento),
variando el efecto de la longitud de onda según las horas del día y los estadios de
crecimiento de la planta. (Grupo de investigación GIR-TADRUS. ETSI agrarias,
2010)
Teniendo en cuenta la distribución espectral de las lámparas usadas se optara por buscar la posibilidad de mejorar la zona del espectro en longitudes de onda (λ)
comprendidas entre 300-500 nm y 600-700 nm. Para ello, los LEDs deberán
presentar su máxima emisión en dichas regiones, ya que de acuerdo a
5
Valencia), en este intervalo de longitudes de onda, el proceso fotosintético es de
mayor rendimiento para las plantas. (Universidad Politécnica de Valencia, 2011)
Con base en esta información se apuesta por un sistema de iluminación artificial
que permita mejorar la calidad espectral sobre el dosel vegetal en cada una de las
etapas de la planta, que como consecuencia traerá un mejor desarrollo de las
plántulas; Para ello se caracterizaran fuentes de luz fluorescentes estándares,
lámparas fluorescentes compactas o de bajo consumo LEDS y OLEDS de alta
potencia, donde paralelo a las necesidades específicas de la planta en cada uno
de sus estadios se seleccionara la tecnología de iluminación más adecuada para
la realización del diseño del sistema de iluminación.
Se utilizaron diferentes herramientas de software para llevar a cabo el proceso de
diseño e implementación destacando, entorno de desarrollo Tiva ( perteneciente a
la familia de Launchpad programable cuya función fue la captura de datos del
sensor TCS3200, manejo de PWM para los canales R, G, B envió y recepción a
través de puerto serial, Eagle como software para el diseño PCBs , las
simulaciones fueron llevadas a cabo en multisim de National Instruments, y
finalmente Git Hub donde se lleva el control de versiones, repositorio de
documentación e información relevante utilizada como soporte al desarrollo del
proyecto disponible en la URL https://github.com/RadiationPAR
Palabras clave: LED y OLED, rendimiento fotosintético, monocromático,
6 AGRADECIMIENTOS
En primer lugar agradezco a Dios y a mis padres quienes brindaron su apoyo,
compañía, y esfuerzo en todo momento, siendo la motivación para obtener este
gran logro.
Segundo a aquellas personas que me apoyaron, y compartieron sus
conocimientos e instrucciones siendo eje fundamental para el desarrollo y éxito de
este proyecto, en especial a nuestro director el Ingeniero Cesar Perdomo Charry
quien nos acogió como parte del grupo de investigación Laser, también agradecer
al ingeniero Jaime Angulo por su aportes ejerciendo la u función de revisor.
como último un especial agradecimiento al ingeniero Oscar Perdomo, al
Laboratorio de Ensayos Eléctricos Industriales -Módulo de Iluminación-Universidad
Nacional de Colombia - Sede Bogotá ([email protected]), por
facilitarnos el espacio y equipos necesarios de calibración y demás docentes,
amigos y compañeros que de una u otra manera aportaron en nuestro crecimiento
7
TABLA DE CONTENIDO
Contenido
Resumen ... ¡Error! Marcador no definido.
AGRADECIMIENTOS ... 6
PANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 9
¿Por qué crear un sistema de observación para la respuesta fisiológica de las plantas a partir de iluminación LED? ... 9
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION ... 11
OBJETIVOS ... 13
General: ... 13
Específicos: ... 13
MARCO REFERENCIAL ... 14
Caracterización de los parámetros que intervienen en la fotosíntesis con énfasis en la iluminación. ... 14
Análisis de variables ... 16
Intensidad luminosa: ... 16
Flujo luminoso: ... 16
luminancia ... ¡Error! Marcador no definido. iluminancia ... ¡Error! Marcador no definido. Eficiencia luminosa:... 18
Tricromía: ... 18
Un color cualquiera C puede expresarse matemáticamente como: ... 18
Matiz: ... 18
luminosidad: ... 18
Saturación o brillo: ... 18
ESTADO DEL ARTE ... 19
CAPITULO I ... 22
Clasificar los tipos de tecnologías de iluminación más relevantes que existen actualmente en el mercado.... 22
ILUMINACION ARTIFICIAL ... 23
8
CAPITULO II ... 30
Documentar los requerimientos del diseño, seleccionar y caracterizar los sensores a utilizar. ... 30
Análisis requerimientos para el proyecto: ... 30
Análisis de sensores de luminosidad comerciales: ... 31
Linear sensor arrays ... 32
Evaluation boards (evm) ... 33
Descripción sensor seleccionado TCS3200: ... 34
Selección de fabricantes microcontrolador a utilizar ... 37
Selección Familia microcontrolador Por Fabricante ... 38
Microcontrolador seleccionado por Especificaciones ... 38
Microcontrolador seleccionado ... 39
Circuito de requerimientos del Microcontrolador ... 40
Interfaz USB ... 41
CAPITULO III ... 43
Diseñar y construir etapa de medición. ... 43
MEDICIONES LABORATORIO DE ENSAYOS ELECTRICOS E INDUSTRIALES UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA ... 50
CAPITULO IV ... 56
Diseñar e implementar etapa de potencia y control... 56
Etapa de potencia. ... 56
Diseño estapa de control ... 64
RESULTADOS Y CONCLUSIONES ... 68
TRABAJOS FUTUROS ... 71
Referencias ... 72
ANEXOS ... 74
Indice De Figuras ... 74
9
PANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿Por qué crear un sistema de observación para la respuesta fisiológica de las plantas a partir de iluminación LED?
Según Pérez Elena (2009), la fotosíntesis es un proceso físico-químico mediante
el cual se utiliza energía solar para sintetizar compuestos orgánicos, y
proporcionar la energía suficiente para que la planta lleve a cabo sus procesos
vitales. Por su parte Gliessman en su libro de agroecología propone una ruta de
ejecución de la fotosíntesis donde una vez que la luz es absorbida por la hoja y se
activan los procesos en el cloroplasto, se lleva a la producción de azúcares ricos
en energía donde la tasa fotosintética está determinada primero por tres conjuntos
diferentes de factores: 1) la etapa de desarrollo de la planta, 2) las condiciones
ambientales del entorno de la planta, incluyendo las condiciones de temperatura,
intensidad y calidad de la luz, el tiempo de exposición a la luz, la presencia de
dióxido de carbono, la humedad y el viento y 3) el tipo de proceso fotosintético
(C3, C4 o MAC) empleado por la planta. (Gliessman, 2002).
En vista de los anteriores parámetros, distintas zonas agroecológicas colombianas
con el pasar del tiempo han realizado proyectos de investigación; donde el cultivo
de algunas plantas se ha trasladado hacia estructuras de invernadero para
aislarlos de condiciones climáticas poco favorables. Por su parte el avance
tecnológico en el área de la electrónica, permitió generar sistemas de control entre
los cuales se destacan el control de temperatura, riego, humedad y ventilación
mediante el uso de sensores (Acuña J. F., 2009). En cuanto al factor lumínico se
han venido adoptando mecanismos de iluminación artificial basados en la
utilización de tubos fluorescentes, incandescentes, de halogenuro metálico, de
sodio de alta presión, de vapor de mercurio y halógenas de tungsteno entre otras
cuya desventajas más relevantes son: el contenido de mercurio de alta toxicidad,
la reflexión de luz dispar, la ineficiencia eléctrica y la producción de un espectro
10
manera homogénea al interior de invernaderos, las cuales funcionan a partir de
temporizadores que controlan su tiempo de encendido/apagado. (Almanza, 2012)
Actualmente en distintas regiones de Europa se ha incorporado la iluminación LED
como sistema de radiación para el estímulo fotosintético de las plantas, por sus
numerosos beneficios ya que permite la reducción del consumo de potencia
entregando solo la porción de espectro que está necesita para llevar a cabo sus
funciones de manera adecuada. (Inoled, 2014)
De esta manera en el año 2014 y lo corrido de 2015 en Colombia se adelantan
esfuerzos por adoptar este tipo de tecnología de iluminación para invernadero,
mediante la importación de pantallas LED de alta potencia que se utilizan en
Europa y que vienen previamente calibradas para determinados genotipos
especialmente diseñados para la floricultura. (Iluminet, 2014).
De ahí se evidencia la necesidad de desarrollar un sistema de observación que
permita mediante una interfaz monitorear el espectro irradiado a la planta de
acuerdo al genotipo y sus necesidades ya que cada especie de plantas tiene
diferentes características y necesitarán condiciones diferentes para llevar a cabo
sus proceso fotosintético de una manera adecuada, este sistema será una
herramienta para poder evaluar y aprender sobre la respuesta fisiológica de la
planta al estímulo de la luz LED, sin la necesidad de adquirir en el mercado
sistemas de iluminación extranjeros, diseñados sólo para determinados tipos de
plantas que conllevan a una alta inversión económica y si no son los adecuados
para el tipo de planta que se está cultivando, harán que dicho sistema no se
utilice al máximo y genere pérdidas de potencia traducidas en pérdidas
económicas, sin posibilidad de retorno, lo que no permitirá la realización de
11
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION
Colombia es un país potencialmente agrícola, que no ha explotado al máximo su
capacidad productiva principalmente a la baja incursión en nuevas tecnologías.
Esta situación se ve reflejada en los altos índices de importación de productos en
comparación con los índices de exportación, aun cuando Colombia es productor
de gran cantidad de productos que actualmente se importan, el ingreso al mercado
colombiano de productos agropecuarios, alimentos y bebidas subió 9,1 por ciento,
debido principalmente a las mayores compras externas de semillas y frutos
oleaginosos de los cuales pueden extraerse aceites en 100,4 por ciento;
legumbres y frutas, en 34,3 por ciento. (El Tiempo, 2015)
La electrónica aplicada ha logrado controlar una serie de factores limitantes para
el rendimiento fotosintético de las plantas (agua, nutrientes, dióxido de carbono,
oxigeno, temperatura, humedad e iluminación) logrando valiosos aportes en el
rendimiento fotosintético. Se observa gran relevancia en el factor iluminación,
donde la carencia de luz solar en todo instante de tiempo genera que el proceso
energético del dosel vegetal sea muy limitado y en cuanto a iluminación artificial
aún no se tienen en cuenta aspectos como intensidad, brillo, espectro lumínico de
la luz y cantidad de luz necesaria para mejorar el rendimiento fotosintético de las
plantas. (Acuña Caita, 2009).
A su vez el tipo de lámparas más empleado en los invernaderos, viveros y
semilleros corresponden a tubos fluorescentes estándares TL-D y de fluorescencia
de alta eficacia TL5. Ambas presentan ventajas como amplio espectro y bajo costo
frente al espacio que ocupan, sin embargo tienen un alto impacto ambiental por el
alto contenido en mercurio, su espectro es pobre en la región del azul y no tiene
en cuenta aspectos como intensidad, brillo, espectro lumínico de la luz y cantidad
de luz necesaria para que el rendimiento fotosintético de la planta sea adecuado,
es decir, donde se reduzca la perdida de luz capturada por las hojas de las plantas
y se evite su saturación. Luego nace la necesidad de adoptar mecanismos que
aporten de manera positiva al desarrollo integral de tecnologías aplicadas a la
12
especial las dedicadas al negocio de la floricultura y el cultivo hortícola, han
migrado ha estructuras de invernaderos equipados con algunos sistemas de
control de temperatura, humedad, riego, ventilación, donde existe déficit en el
manejo y control de la variable lumínica la cual es de vital importancia en el
proceso fotosintético fundamental para el desarrollo de las plantas, tanto así que
en países desarrollados como en el caso de Europa se han desarrollado sistemas
de iluminación con base en tecnología LED y OLED para este propósito, los
cuales se encuentran en el mercado con precios que oscilan sobre los 400 dólares
para paneles sencillos de iluminación, con la desventaja que al no poseer
sistemas de control se está condicionado a las características propias de diseño
que trae el panel de fábrica, por su parte países como México y chile han hecho
esfuerzos en investigación en el tema generando paralelamente algunos diseños,
lo que da una idea de la verdadera importancia que tiene el factor de iluminación
en el desarrollo y producción de la planta, y que enmarca un paso a mejorar la
calidad de los cultivos.
Finalmente el continuo auge de tecnologías de información, la migración hacia
sistemas guiados a partir de aplicativos, se observa la necesidad de crear una
aplicación desde donde se lleve a cabo el monitoreo y control del sistema de
iluminación, lo que permita obtener datos en tiempo real, sin la necesidad de estar
presentes en el lugar donde se encuentra implementado el sistema, además de
13 OBJETIVOS
General:
● Diseño e implementación de un Sistema de medición y monitoreo para el estudio
del efecto de la radiación PAR en las plantas.
Específicos:
● Clasificar los tipos de tecnologías de iluminación más relevantes para el
rendimiento fotosintético de las plantas que existen actualmente en el mercado.
● Documentar los requerimientos del diseño, seleccionar y caracterizar los sensores
a utilizar.
● Diseñar y simular la etapa de medición.
14
MARCO REFERENCIAL
Caracterización de los parámetros que intervienen en la fotosíntesis con énfasis en la iluminación.
Las plantas necesitan y emplean sólo ciertas partes del espectro lumínico. Los
colores más importantes del espectro para obtener la máxima producción de
clorofila y respuesta fotosintética se encuentran en las franjas correspondientes al
azul y al rojo. La porción principal de luz que usan las plantas se encuentra entre
400 y 700 nanómetros (nm= una mil millonésima parte del metro). Esta región se
denomina zona de Radiación Fotosintéticamente Activa (RFA). La energía
luminosa es irradiada y asimilada para crecer, y ésta se activa mediante la
asimilación de los fotones. Los fotones azules tiene mayor valor que los fotones
rojos en los vatios RFA, pero los científicos encuentran dificultades para medir la
diferencia exacta. (P. Pankaew, 2014)
1. 2.
Figura 1. 1. Niveles exactos en los que tiene lugar la respuesta fototrópica (A), respuesta fotosintética (B) y la síntesis de clorofila (C). 2) Espectro que necesitan las plantas para crecer (A) Espectro de la luz visible para el ojo humano (B)
En la tabla 1 se observan los principales parámetros y características que
15
PARAMETRO CARACTERISTICAS
Dióxido de
carbono
Si la intensidad luminosa es alta y constante, el rendimiento
fotosintético aumenta en relación directa con la concentración de
dióxido de carbono en el aire, hasta alcanzar un determinado valor a
partir del cual el rendimiento se estabiliza.
Temperatura
El rendimiento fotosintético aumenta con el aumento de temperatura,
debido al movimiento de moléculas, hasta llegar al punto de
estabilización a partir del cual la temperatura afecta a la planta.
Humedad
Ante la falta de agua en el terreno y de vapor de agua en el aire
disminuye el rendimiento fotosintético, Esto se debe a que la planta
reacciona, ante la escasez de agua, cerrando los estomas para evitar
su desecación, dificultando de este modo la penetración de dióxido de
carbono. Además, el incremento de la concentración de oxígeno
interno desencadena la foto-respiración.
Concentración
de oxigeno
Cuanto mayor es la concentración de oxígeno en el aire, menor es el
rendimiento fotosintético, debido a los procesos de foto-respiración
Luz y
fotoperiodo
La mayoría de las hojas alcanzan saturación solamente con 20% de la
luz solar total; de la energía solar absorbida por las hojas solo el 20%
se convierte en energía química, lo que hace que la eficiencia de la
fotosíntesis sea del 4%.El fotoperiodo es la relación entre la duración
del periodo de luz y de oscuridad. La mayoría de las plantas
permanecen en fase de crecimiento vegetativo mientras se mantenga
entre 18 y 24 horas de luz y un periodo de oscuridad de 6 a 0 horas
diarias.
fuentes: (Urria Carril, 2009), (Gliessman, 2002),(Jose R Lisarraje, 2010)
16 Análisis de variables
Intensidad luminosa:
Las lámparas de descarga de alta intensidad son brillantes, muy brillantes. Los
cultivadores que manejan de manera apropiada este intenso brillo cosechan
mucho más por vatio. La intensidad es la magnitud de la energía lumínica por
unidad de superficie. Es máxima cerca de la bombilla y disminuye rápidamente a
medida que se aleja de la fuente. La relación entre la luz emitida por una fuente
(bombilla) y la distancia viene definida por la ley de la inversa del cuadrado. Esta
ley afirma que la intensidad de la luz cambia en proporción inversa al cuadrado de
la distancia. La unidad de la intensidad luminosa es la candela (Cd). (Harper,
2004)
(2)
Las plántulas, los esquejes y las plantas en fase de crecimiento vegetativo
necesitan menos luz que las plantas en floración, porque sus requerimientos de
cultivo son diferentes.
Flujo luminoso:
El flujo luminoso es la cantidad de luz emitida por una fuente luminosa (lámpara)
en la unidad de tiempo (segundo). Su unidad de medida es el Lumen. El flujo luminoso se denota con la letra griega (φ). (Harper, 2004)
Flujo luminoso (en lúmenes) es una medida de la potencia luminosa total que
emite una lámpara (cantidad percibida). La intensidad luminosa (en candelas) es
una medida de cuanto brillo tiene el haz en una dirección particular. Equivalente a
1 candela por estereorradián.
El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las
longitudes de onda del espectro visible.
17 Luminancia
También definida como brillantez es la intensidad luminosa emitida en una
dirección determinada por una superficie luminosa o iluminada. Expresa el efecto
de la luminosidad que una superficie produce sobre el ojo humano, ya sea fuente
primaria (lámpara) o secundaria (refleja la luz), se designa con la letra L. (Harper,
2004)
Lámparas fluorescentes 0,5 a 4 cd/
Lámparas incandescentes 100 a 200 cd/
Lámparas de arco Hasta 50000 cd/
El sol 150000 cd/
Tabla 2. Cuadro comparativo de luminosidad. (Harper, 2004)
Iluminancia
Se define como el flujo luminoso por unidad de superficie, se designa con el
símbolo E y se mide en LUX (lumen/ ). Se mide con el luxómetro. (Harper, 2004)
Una noche sin luz 0.01 lux
Una noche con luna llena 0.2 lux
Una noche con alumbrado público en las calles 5 a 20 lux
Una oficina con buena iluminación 500 lux
Un aparador bien iluminado 3000 lux
Un día claro con cielo nebuloso 20000 lux
18 Eficiencia luminosa:
Se define como la eficiencia de una fuente luminosa a la relación entre el flujo luminoso (φ) expresado en lumen, emitido por una fuente luminosa y la potencia
absorbida por una lámpara. Se expresa en lumen/watt. (Harper, 2004)
Tricromía:
Un color cualquiera C puede expresarse matemáticamente como:
Esta ecuación recibe el nombre de ecuación tricromática del color C, en la que C,
R, G y B solo tienen significado cualitativo y no representan cantidad numérica
alguna. En cambio los coeficientes c, i, j y k representan las luminancias
correspondientes a cada color, de modo que: c = i + j + k. (Vega, 2006)
La gran mayoría de las plantas no responde al color verde, cuando la luz brilla en
un objeto verde, el pigmento verde del objeto absorbe todos los colores del
espectro menos el verde, y la luz verde es reflejada. Por ello las hojas de las
plantas son verdes.
Matiz:
(Hue o Tonalidad, se representa en grados 0-360): Denominado también tono,
tinte y color, es la propiedad del color que se refiere al estado puro del color, el
color puro al cual más se acerca. Es la cualidad por la cual diferenciamos y damos
su nombre al color.
Luminosidad:
Es un término que se usa para describir cuan claro o cuan oscuro parece un color
y se refiere a la cantidad de luz percibida (una camisa en el sol o en la sombra).
Saturación o brillo:
Este concepto representa la viveza o palidez de un color, su intensidad, y puede
relacionarse con el ancho de banda de la luz que estamos visualizando, describe
la pureza del color, es decir, la intensidad o palidez del mismo.
19
Figura 2. Composición de color RGB, HSL, HSV: (ASALE y RAE).
ESTADO DEL ARTE
Antes de mencionar los datos base para el diseño, notamos gracias a la
investigación que la biología y más específicamente la botánica, a la fecha 2015,
no conoce realmente las longitudes de onda a las cuales cada genética tiene un
estímulo para el aumento de rendimiento fotosintético. Las plantas nunca habían
tenido la necesidad de ser irradiadas de forma artificial pues el sol siempre les
otorgaba todo el espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR). No fue
sino hasta la época de Richard Nixon, que leyes creadas por gobiernos de
múltiples latitudes prohibían el uso de ciertas plantas catalogadas como
psicotrópicas, comunidades enteras tuvieron que ingeniárselas para tener plantas
al interior de sus propiedades; partiendo de esto, aclaramos que el proceder de las
fuentes de los siguientes datos evocan a tesis respetadas por la
bio-electro-química, la botánica y la ingeniería agronómica.
Según Volkov y su equipo del Departamento de Química del Oakwood College,
determinaron que la respuesta electrofisiológica inducida a plantas de Soja
20
de 450, 670 y 730 nm estudiadas gracias al uso de la placa KPCI 3107, Lab View
y Sigma Plot, generaban una respuesta potencial en lapsos de tiempo de 0,3ms y
sus amplitudes aproximadas llegaban a los 60mV. (Volkov, 2004)
Por su parte Huimin Li , Canming Tang y Zhigang Xuy de la Universidad Agrícola
de Nanjing determinaron el efecto de diferentes calidades de luz en plántulas de
cultivo invitro empleando tubos fluorescentes y Led's RGB. Descubrieron que la
luz led permitía un mayor rango de longitudes de onda y esta tecnología era la
más adecuada para el estímulo fotosintético de las plantas, también que a mayor
estimulo lumínico, las plantas manifestaban mayor transpiración, mayor
concentración de clorofila, mayor concentración de azúcar soluble, hojas más
grandes y tallos de mayor diámetro. Los resultados de su investigación
demostraban que la relación B: R=3:1 era benéfica para la diferenciación y
proliferación de plántulas: benéfica para su crecimiento, en cambio para su
floración la relación B: R=1:3 aportaba mayor estrés a las plantas, permitiendo
cosechar mejores flores y frutos. (Li, 2013)
Para el mismo año, Kuan-Hung Lin en el centro de investigación para la
biodiversidad en Taiwan demostró que la calidad de la luz suplementaria puede
ser utilizada estratégicamente para mejorar el valor nutricional y el crecimiento de
plantas. Su estudio sobre las lechugas cultivadas bajo la luz LED RBW, permitió
mejoras en la producción. Kuan comenta en su artículo que la gestión precisa de
la irradiación y la longitud de onda puede ser prometedora en la maximización de
la eficiencia económica de la producción de la planta, la calidad y el potencial de la
nutrición de los vegetales cultivados en ambientes controlados.
Aparentemente la tonalidad verde se decía que no influía en los procesos
metabólicos de las plantas, esto debido al reflejo de sus longitudes de onda,
permitiendo identificarles fácilmente por esta tonalidad. Resultó que para 2012
estudios en Japón, revelaron gracias a M. Johnkan y el talento humano de la
central de investigación de energía eléctrica industrial que tonalidades verdes con
longitudes de onda de 510, 520 y 530 nm activan procesos fotosintéticos
21
el uso de fluorescentes para el crecimiento de brotes de semillas, debido a sus
tablas comparativas (véase pág. 4 Johkan, 2012), donde se demuestra que
tonalidades verdes son de mayor provecho que la luz emitida por los tubos
fluorescentes. (Johkan, 2012)
Para el presente año, el profesor Vinicius Costa Galva y Cristiana Fankhauser en
el centro de genómica integrativo de la Facultad de Biología y Medicina de la
Universidad de Lausana (2015), reconocen que el avance de los estudios del
efecto de la luz sobre las plantas ha permitido medidas de señalización para estímulos de longitudes de onda entre 280–750 nm, más hace un llamado a que el
campo de estudio se enfoque en nuevos mecanismos que permitan a las plantas
la adaptación a entornos cambiantes, contribuyendo a mejorar y/o identificar
variedades con gran valor para la agricultura. (Galva, 2015)
Para el desarrollo de la temática planteada a lo largo de la investigación, se
recurre a una hoja de ruta con 4 fases en cumplimiento de los objetivos
22 CAPITULO I
Clasificar los tipos de tecnologías de iluminación más relevantes que existen actualmente en el mercado.
El primer paso para llegar al desarrollo de este proyecto es el análisis del mercado
actual, en cuanto a tecnologías de iluminación artificial existentes, con el fin de
evaluar diferencias, ventajas, desventajas, impacto social , económico y medio
ambiental entre otros, con el fin de determinar que tecnología es la que mejor se
adapta a las necesidades de este proyecto, teniendo en cuenta que se apunta a
buscar la tecnología que sea más amigable al medio ambiente y permita un
manejo de potencia adecuado que a largo plazo se traduzca en disminución de
costos de operación.
Por lo tanto se clasificaron los dispositivos, dependiendo de los materiales de
fabricación y tecnología mediante el cual funcionan y a su vez reclasificando en los
casos que aplique, con esto se pudieron determinar 7 tipos de tecnologías
diferentes, cada una debidamente clasificada y caracterizada, donde una vez se
realizó el estudio preliminar, se tomó especial interés en la tecnología LED y
OLED que actualmente se encuentra en auge, gracias a sus múltiples ventajas,
flexibilidad de uso.
En la tabla 4 se describen las principales tecnologías de iluminación artificial
existentes en el mercado actual, datos tomados de los principales fabricantes a
nivel mundial, haciendo uso de la WEB para la búsqueda y consulta de portafolio y
datasheet proporcionados por cada fabricante. De manera adicional se llevó a
cabo recorrido por los principales distribuidores a nivel local para determinar qué
tipo de tecnología es la de mayor acogida. Al final de dicha tabla se describe de
23
SISTEMA DE MEDICION Y MONITOREO PARA EL ESPECTRO DE LA LUZ LED
ILUMINACION ARTIFICIAL Luces de descarga de alta intensidad (DAI)
Tipo Características Desventajas
halogenuro metálico
Fuente de luz blanca artificial más empleada por los cultivadores. Se encuentran en formato de 175, 250, 400, 1.000, 1.100 y 1.500 vatios. La vida media de una bombilla de
halogenuro es de unas 12.000 horas, casi dos años seguidos
funcionando 18 horas diarias. Tienen un
espectro similar al de la
luz solar. Lo que se traduce en pérdidas de potencia. Generan Ruido y exceso de calor principal causa de la destrucción de los balastros. Usan materiales tóxicos, de gran impacto al medio ambiente debido a su
difícil de como el mercurio sodio de alta presión (AP),
Espectro más limitado. Menor número de elementos químicos. Mejor producción de lúmenes, vida útil de 24.000 horas,
aproximadamente 5 años, al 50% de uso diario.
bombillas de conversión
Combinación entre la lámpara de halogenuro metálico y la bombilla de sodio AP. 150, 215, 360, 400, 880, 940, y 1.000 vatios. Tienen un espectro menos azulado, son hasta un 25%
más brillantes que los sistemas de halogenuro metálico y si proporción de lúmenes por vatio supera la del halogenuro. vida
útil hasta 24.000 horas y resultan menos caras que todo un sistema de sodio AP.
vapor de mercurio
La luz que emite es color azul verdoso, no contiene radiaciones rojas. Las lámparas de vapor de mercurio requieren de un balastro. 25000 horas de vida aunque la depreciación lumínica
es considerable. Los picos de emisión de mayor intensidad de las lámparas de mercurio son ultravioleta, violeta, infrarrojo,
verde, azul.
Producen un espectro pobre para el cultivo de las plantas. han
quedado obsoletas por
su eficiencia eléctrica
24
Tipo Características Desventajas
Lámparas fluorescentes compactas.
Menor perdida de calor en comparación con los bombillos incandescentes comunes, de un 70 a 75%
menos pérdida de calor. (West Larry.
Enviroment.about.com). La emisión de luz es 4 a 6 veces mayor que los bombillos comunes para la misma
cantidad de energía eléctrica. Ampliamente usadas para cultivar esquejes y plantas pequeñas en estado vegetativo. Vida útil entre 10.000 y 20.000 horas
(18-36 meses con 18 horas de uso diario)
Deben mantenerse muy cerca (de 5 a 10cm) de las plantas
para obtener los mejores resultados. El proceso de producción es más complejo y
laborioso que el de los bombillos comunes. Contiene
una pequeña cantidad de mercurio, Hg (2 a 5 mg) el cual
es de alta toxicidad.
Lámparas halógenas de tungsteno
Un filamento de tungsteno dentro de un gas inerte y una pequeña cantidad de halógeno (como yodo o bromo). El filamento y los gases se encuentran en equilibrio químico, mejorando el rendimiento del filamento y aumentando su vida útil. El vidrio se sustituye por un compuesto de cuarzo, que soporta mucho mejor el calor (lo que permite lámparas de tamaño mucho menor, para potencias altas). Su vida útil es de 2.000 y 4.000 horas de funcionamiento.
Las lámparas halógenas no producen una luz adecuada para cultivar. Tienen muy poca
potencia en cuanto a lúmenes por vatio. El funcionamiento de las bombillas halógenas es tan
ineficiente como el de las lámparas incandescentes. Su espectro de color está situado en el extremo rojo, con solo un
10-15% en la zona visible del espectro.
25 Lámparas de sodio de baja
presión
Su conversión de lúmenes por vatio es la más elevada de todas las lámparas que hay en el mercado llega a
ser de 190 Lm/W. La vida media resulta ser de unas 15.000 horas, con una depreciación que no llega al
20%., El rendimiento de estas lámparas es óptimo cuando la temperatura interna alcanza los 270 ºC,
Son monocromáticas: producen luz en una porción muy estrecha del espectro a 589 nanómetros. El
proceso de encendido de una lámpara de vapor de sodio a baja presión dura unos 10 minutos y al final se obtiene una luz amarilla
monocromática Pantallas reflectoras GE NERA LIDA DES
Los reflectores distribuyen la luz con uniformidad (sin puntos calientes) pueden situarse más cerca de las
plantas sin quemarlas. Estas pantallas son más eficientes, ya que la lámpara está más cerca y la luz es más intensa. Con la pantalla reflectora adecuada sobre la lámpara y paredes reflectantes puede llegar
a duplicarse el área de cultivo. Las superficies granuladas y las amartilladas ofrecen una buena
difusión de la luz y una superficie mayor para reflejarla. Los puntos calientes son muy comunes en
las superficies muy pulidas, tipo espejo.
las pantallas pulidas se rayan fácilmente, provocando una
iluminación desigual
Pantallas reflectoras horizontales
Los reflectores horizontales son los más eficientes para los sistemas DAI, y son los más valorados por los cultivadores. Una lámpara horizontal rinde hasta
el 40% más de luz que una lámpara encendida en posición vertical. Solo es necesario reflejar la mitad
de la luz. Están disponibles en muchos tamaños y formas. Cuanto más cerca esté el reflector del tubo de descarga, menor será la distancia que tiene que recorrer la luz antes de ser reflejada. Menos distancia
recorrida significa que más luz es reflejada
26 Pantallas
reflectoras verticales
Las pantallas en forma de cúpula parabólica son las que ofrecen los mejores resultados. Reflejan la luz de
forma relativamente homogénea
Una lámpara horizontal rinde hasta el 40% más de luz que una lámpara encendida en posición vertical. La luz tiene que atravesar una distancia
mayor antes de ser reflejada por las pantallas reflectoras parabólicas o en forma de cono. Los cultivadores
que adquieren reflectores cónicos para intentar ahorrar dinero acaban
pagando más a causa de la poca eficacia de estas pantallas
Lámparas sin reflector
Al no haber pantalla, la lámpara funciona a menor temperatura
Sólo emite luz en directa, en todas las direcciones y no es posible aprovechar al máximo la
eficiencia lumínica de la misma. Lámparas refrigeradas Lámparas refrigeradas por aire
Existen varias lámparas disponibles que incorporan refrigeración por aire. Unas incorporan una pantalla reflectora con una cara protectora de vidrio y dos extractores
para mover aire a través de la cavidad sellada de la pantalla reflectora. El aire es forzado a pasar de una esquina a otra, lo cual requiere una corriente a mayor velocidad.
En otros reflectores refrigerados por aire, la corriente no tiene que girar, por lo que el aire se evacua rápida y eficazmente.
Lámparas refrigeradas por agua
Las lámparas refrigeradas por agua o por aire son bastante populares en climas cálidos. Estas lámparas funcionan a temperaturas muy bajas y pueden mantenerse más cerca de las plantas. El funcionamiento de las luminarias refrigeradas por agua resulta barato,
y su instalación es sencilla. Los cultivadores reducen el calor que produce la bombilla hasta en un 80% gracias al empleo de bombillas refrigeradas por agua. El agua y la cubierta externa producen una pérdida lumínica del 10%, compensando esta pérdida
27
TEGNOLOGIA LED y OLED DE ALTA POTENCIA
VENTAJAS DESVANTAJAS
MEDIO-AMBIENTALES
No contienen mercurio ni otros metales pesados. Producen menos emisiones de CO2 que las fuentes de iluminación artificial tradicional. Sus radiaciones no son perjudiciales, ya que emiten un
espectro monocromático visible sin presencia de radiación ultravioleta y bajo índice de radiación infrarroja. Alto Índice de Reproducción Cromática. Menor contaminación lumínica, ya que la
luz que emite el LED siempre va direccionada.
A partir de 65º la mayoría de los LED se estropean. Es necesario vigilar la electrónica
que lleva asociada, que suele romperse antes que el LED.
Requieren una elevada disipación térmica, si bien generan menos calor que las convencionales, el que genera
es muy importante disiparlo, para ello es vital que los disipadores sean de aluminio y
con mucha superficie de disipación para garantizar mayor tiempo de vida útil El precio en comparación con las
convencionales es bastante elevado.
ECONOMICAS
En la actualidad se está migrando a tecnología de iluminación LED en exteriores e interiores debido a su bajo consumo energético.
Menor consumo que las lámparas tradicionales (fluorescente, incandescentes, halógenas, bajo consumo). Con reducciones que
28 ARQUITECTURA
Y DISEÑO
Existen LEDs de todos los tamaños y con casi cualquier diseño. Amplia gama de tonos desde los 3000K hasta los 7500K y
combinaciones del RGB. Los LEDs son más eficientes en ambientes con bajas temperaturas. Son fuentes de luz fiables en el
exterior. Robustez y seguridad frente a vibraciones. Posibilidad de cambios de colores en una misma lámpara. La dispersión de luz fuera de donde se desea es mínima, debido a la
direccionalidad de los LEDs. Tamaño reducido. Alta eficiencia en colores, elevada saturación de color, por lo que no necesitan filtros.
Los LED son fuentes de luz prácticamente monocromáticas, y se encuentra una amplia gama de colores de acuerdo a su
composición química.
OTRAS
Eficiencia luminosa aproximadamente de 100 lúmenes/W con tendencia a ubicarse sobre los 200 a 230 lúmenes/W en los próximos 10 años. Resistencia a golpes y vibraciones, dado que
sus componentes son muy compactos, pudiendo trabajar en condiciones climáticas adversas. Funcionan a bajas temperaturas, hasta de -30°C. Grandes marcas como Phillips adelantan estudios
y desarrollos de modelos aplicados a la agricultura.
CARACTERISTICAS
FOTOMETRICAS
A mayor intensidad eléctrica, más elevado es el flujo lumínico emitido, no es conveniente que se superen los 700mA, ya que se reduce la vida útil, eficiencia luminosa y aumenta la temperatura.
Flujo luminoso: es la magnitud derivada del flujo radiante valorado según su efecto sobre el observador fotométrico. Su unidad es el lumen. Intensidad luminosa: determina el nivel de concentración o dispersión de la luz producida por la lámpara. Se mide en candelas (cd). Cd= (lumen/estereorradián). Eficacia luminosa: muestra la eficiencia de una fuente de luz, es el cociente
29
Tabla 4. Características y comparación de los tipos de tecnologías para iluminación que se encuentran actualmente en el mercado. CALORIMETRICAS
Temperatura del color y reproducción cromática, los colores se pueden representar por medio de coordenadas (X,Y,Z) mediante el triángulo cromático, el espectro del color depende exclusivamente
de la temperatura a la que se encuentra y en muy buena aproximación se describe con la ley de radiación de Planck de cuerpo negro. La temperatura de color correlacionada en la temperatura de
radiador de Planck, denotada con Tcp, medida en kelvin °K. El rendimiento del color es el efecto que una fuente de luz produce sobre el espectro cromático de los objetos que ilumina. Tomando como referencia el color obtenido de una fuente patrón, en función del patrón Ra se puede obtener
la fiabilidad de un color. (Ra <60 = pobre; 60<Ra<80 = buena; 80<Ra<90 = muy buena; 90<Ra<100= excelente.) Los puntos de color de los LED y de las lámparas de descarga están
situados en el exterior pero cerca de la denominada curva de Planck.
ELECTRICAS
El color de los LED proviene de del material que compone cada chip y cada uno de ellos se encuentra en un punto del espectro, los colores resultantes son muy saturados. No se deben superar los 700 mA de flujo eléctrico en los LED. La regulación de corriente se realiza de forma analógica mediante divisores de tensión o por modulación de anchura de pulso PWM. A mayor corriente circulante mayor es la temperatura emitida lo que afecta directamente el chip y puede llevar a su ruptura.
VIDA UTIL
Se define como el punto donde se presenta un fallo completo de luminosidad. Debido a que los LED no presentan un fallo completo en su luminosidad. Si no en cambio puede verse disminuido en el transcurso del tiempo se utilizan 2 parámetros: valor L (Lp). Que será el porcentaje de reducción de
flujo luminoso, y el valor B (Bp) que será la desviación estándar. La vida útil del dispositivo va a depender de la temperatura, por lo cual se deben utilizar los disipadores adecuados, asegurando
30 CAPITULO II
Documentar los requerimientos del diseño, seleccionar y caracterizar los sensores a utilizar.
Para el capítulo 2 se analizaran los principales requerimientos del diseño y a su
vez se analizaran las características de los principales fabricantes, entornos de
desarrollo, y tecnologías que se amolden a las necesidades y brinden la mayor
flexibilidad para la ejecución del mismo, la tecnología de iluminación artificial
seleccionada en el capítulo I fue LED / OLED de alta potencia.
Análisis requerimientos para el proyecto:
Determinar la longitud de onda de la luz radiada sobre una superficie, de
tal manera que permita asociarse un color y tramo dentro del espectro
visible.
Precisión en la toma de datos.
Respuesta rápida.
Recrear el espectro visible de manera controlada a partir de iluminación artificial LED de alta potencia.
Bajo consumo de potencia.
Permita escalabilidad
Permita ser modular
Una vez determinados los principales requerimientos del diseño, se acude a
elementos que se encuentran actualmente en el comercio, para tal fin se evalúan
los tipos de sensores, microcontroladores y entornos de desarrollo, cuyas
características cumplan a satisfacción las necesidades del proyecto, como se
31
Análisis de sensores de luminosidad comerciales:
Conversores de luz a voltaje, (LTV) son soluciones que combinan un fotodiodo y
un amplificador de tras-impedancia en un solo encapsulado monolítico.
Proporcionan una salida de tensión analógica lineal que es proporcional a la
intensidad de luz, en la imagen se realiza una descripción de los principales
dispositivos comerciales.
Figura 3 Descripción Dispositivos conversores de luz a voltaje (Mouser Electronis, 2016)
Conversores de luz a frecuencia (LTF) realizan las funciones de detección de luz,
acondicionamiento de señal y conversión analógico / digital en un encapsulado
monolítico, este dispositivo convierte intensidad de luz en frecuencia. En la imagen
se realiza una descripción de los principales dispositivos comerciales.
Figura 4 Descripción Dispositivos conversores de luz a frecuencia (Mouser Electronis, 2016)
Conversores digitales de luz, combinan un fotodiodo de banda ancha (350 nm a
1100 nm), con fotodiodo de bloqueo de luz visible en un solo circuito integrado de
32
En la imagen se realiza una descripción de los principales dispositivos
comerciales.
Figura 5 Descripción Dispositivos conversores de luz a valores digitales (Mouser Electronis, 2016)
Sensores de color con polarización de 2.7V a 5.5V, (LTV) combinan un fotodiodo,
filtro de color y un amplificador de tras-impedancia en un solo encapsulado de la
familia TAOS, esta solución requiere un menor número de componentes, ahorra
espacio en la placa y reduce costos de montaje. En la imagen se realiza una
descripción de los principales dispositivos comerciales.
Figura 6. Descripción Dispositivos sensores de color con polarización de 2.7V a 5.5V (Mouser Electronis, 2016)
En la imagen xx se relacionan los principales arreglos de sensores lineales:
Linear sensor arrays
33
Adicionalmente en el mercado se presentan soluciones más complejas,
funcionales dentro de un entorno de desarrollo programable, basadas en
sensores de los descritos anteriormente, en la imagen se muestra una tarjeta de
evaluación programable basada en sensor de luz TCS230.
Evaluation boards (evm)
Figura 8. Descripción tarjeta en evaluación programable basada en TCS230 (Mouser Electronis, 2016)
Cada uno de los dispositivos descritos cuenta con un tipo de encapsulado de
acuerdo a sus características y arquitectura, en la imagen xxx se relacionan los
principales encapsulados:
Figura 9. Encapsulados comunes para los diferentes dispositivos (Mouser Electronis, 2016)
Una vez evaluados los principales tipos de sensores que se comercializan
actualmente en el mercado VS los requerimientos del proyecto, se descartaron
dispositivos programable dado su elevado costo, adicional a que no permiten la
34
sensor de bajo costo, y fácilmente adaptable a entornos de desarrollo o
microcontroladores, cuyas características se describen a continuación:
Descripción sensor seleccionado TCS3200:
● Es un sensor de color a frecuencia con polarización de 2.7V a 5.5V, filtra
los datos RGB de una fuente de iluminación y convierte en una onda
cuadrada con una frecuencia determinada directamente proporcional a la
intensidad de luz irradiada. ● Alta resolución
● Es capaz de capturar un amplio espectro de luz visible ● Alimentación única
● Error de no linealidad típico del 2% sobre los 50 kHz ● Encapsulado de montaje superficial
● Consta de una matriz de 8x8 fotodiodos, 16 con filtros rojos, 16 con filtros
verdes. 16 con filtros azules y 16 sin filtros para hacer el barrido general del
espectro.
● Soporta temperaturas entre -40°C y 70°C
Se detalla en la figura el TCS3200 y su configuración de pines.
Figura 10. Configuración de pines del TCS3200 según datasheet.
En la tabla se detallan los pines del dispositivo., junto con una corta descripción
35
y modo de uso, para lo cual se tomaron los datos directamente del manual de uso
proporcionado por el fabricante, teniendo en cuenta las principales
recomendaciones y modo de uso:
PIN
ENTRADA/SALIDA DESCRIPCION
NOMBRE NUMERO
GND 4 Todos los voltajes son referenciados a tierra
OE 3 ENTRADA Habilita Fo ( se activa en nivel bajo)
OUT 6 SALIDA salida de Fo para el micro controlador
S0 1 ENTRADA Permite seleccionar la frecuencia de trabajo
S1 2 ENTRADA Permite seleccionar la frecuencia de trabajo
S2 7 ENTRADA permite seleccionar filtro
S3 8 ENTRADA permite seleccionar filtro
VDD 5 Voltaje de alimentación (2.7V - 5.5V)
Tabla 5. Detalle de los pines del sensor TCS3200 según datasheet
Este dispositivo está constituido en una matriz de 3 filtros, Red,Green,Blue y sin
filtro, lo que permite una sobre posición del color y permite resultados más
confiables, en la tabla 6 se describen las combinaciones que habilitan cada uno de
los filtros y el escalado en frecuencia, el cual está directamente relacionado con la
cantidad de muestras tomadas por el dispositivo, se selecciona un escalado en
frecuencia de 20% dado que proporciona una ventana de acción adecuada,
evitando el consumo en exceso de recursos por parte del microcontrolador.
s2 s3 tipo de filtro
s0
s1
Escala frecuencia de salida0 0 Red 0 0 sensor apagado
0 1 Blue 0 1 2%
1 0 Sin filtro 1 0 20%
1 1 Green 1 1 100%
36
En la figura 11 se muestran las curvas características medidas sobre el sensor
TCS3200.
37
Selección de fabricantes microcontrolador a utilizar
De los distintos Fabricantes se ha escogido la siguiente lista, en la que se
muestran los distintos tipos de arquitectura que manejan.
Texas Instruments [32]
MSP430 ARM Cortex-M3
C28X ARM Cortex-M4
X28X + Cortex-M3 ARM Cortex-R4
Freescale Semiconductor®
S12 RS08
S12X ColdFire 32-bit MCUs
Qorivva 32-bit MCU (Power Architecture
Technology)
Kinetis MCUs (base don ARM
Cortex®-M4)
MAC7xxx 32-bit (Automotive MCUs) ColdFire+ 32-Bit MCUs
Microchip® [34]
8-bit PIC® MCU 16-bit dsPIC® DSC
16-bit PIC® MCU 32-bit PIC® MCU
Atmel Corporation [35]
AVR 8-bit ARM Based
AVR 32-bit 8051 Architecture
NXP Semiconductors [36]
Cortex-M0/M0+ LPC900
Cortex-M3 CPL700
Cortex-M4 OPT/ROM
ARM7 ARM9
Renesas Electronics [37]
RX RZ
H8 H8SX
RL78 SuperH
78K V850
M32R 720
M16C 740
R8C H8S
STMicroelectronics [38]
ARM Cortex-M3 STM8S
SPC5 32-bit Automotive STM8T
STM8 STM32 L1
STM32W
38
Selección Familia microcontrolador Por Fabricante
Teniendo en cuenta los requerimientos previamente nombrados, los costos y la
tecnología que está a disposición, para la lista, se han seleccionado algunos
fabricantes y las arquitecturas
FABRICANTE ARQUITECTURA
Texas Instruments [32] ARM Cortex-M4 (Tiva C)
Microchip® [34] 32-bit PIC® MCU
Freescale Semiconductor® [33] Kinetis MCUs (base don ARM Cortex®-M4)
Atmel Corporation [35] ARM Based
Tabla 8. Selección de fabricantes y arquitecturas
Microcontrolador seleccionado por Especificaciones
Se seleccionó de cada proveedor un Microcontrolador cuyas características se
acoplen a los requerimientos del proyecto, como se observa en la tabla 9.
FABRICANTE MICROCONTROLADOR
Texas Instruments [32] TM4C123GH6PM
Microchip® [34] K50P100M72SF1
Freescale Semiconductor® [33] PIC32MZ1024ECG064
Atmel Corporation [35] ATSAM4LC4BA-MU-ND
Tabla 9. Selección microcontrolador por proveedor.
En la tabla 10, se muestran algunas de las principales características de los
microcontroladores relacionados en la tabla 9.
FABRICANTE Vel I2C SPI UART ADC ADR USB Temp
Texas
Instruments 80 MHz 4 4 8 12 12 1 -145
FreeScale 32 MHz 2 2 5 32 16 1 -125
Microchip 200 MHz 4 4 6 24 12 1 -125
Atmel 48 MHz 4 1 3 16 12 1 -89
39 Microcontrolador seleccionado
Luego de realizar una búsqueda y comparación de los principales fabricantes VS la
necesidad del proyecto se elige al proveedor Texas Instruments con su entorno de
desarrollo Tiva C TM4C123GXL basado en el microcontrolador TM4C123FH6PM,
de arquitectura ARM Cortex-M4, ya que satisface todos los requerimientos y el
consumo del mismo es muy bajo, a continuación se describen sus principales
características:
Tabla 11. Principales características microcontrolador TM4C123FH6PM
CARACTERISTICAS MICROCONTROLADOR TM4C123FH6PM - TIVA
64 pines, Núcleo: ARM Cortex-M4F, 16 comparadores digitales, 16 salidas de PWM
Núcleo del procesador: 80 MHz de operación; memoria Flash 256 KB cada ciclo.
Sistema SRAM 32 KB de un ciclo de SRAM , 2KB of EEPROM Universal Serial Bus (USB) USB 2.0 OTG/Host/Device
Timer de propósito general (GPTM) 6 bloques de 16/32-bit y 6 bloques de 32/64-bit
2 módulos en cuadratura de PWM cada uno con 4 generadores de PWM, para un total de
40
Circuito de requerimientos del Microcontrolador
La conexión general para el Microcontrolador y todos los demás elementos de
circuito se muestran en la figura, donde se nombran todas las señales involucradas
con el módulo.
41
El Microcontrolador requiere de distintos elementos para funcionar (además de las
múltiples alimentaciones y puestas a tierra), en la figura 13 se muestran los
elementos del circuito necesarios para su polarización y configuración.
Figura 13. Circuito de Polarización del Microcontrolador. TM4C123FH6PM
Interfaz USB
La comunicación USB, se va a realizar a través de un conector USB tipo B. y la
interfaz se realiza directamente con el Microcontrolador. En la ¡Error! No se
ncuentra el origen de la referencia.14 se muestra dicha conexión y los
condensadores correspondientes al filtrado en la tensión de línea de entrada 5V.
42
En la figura se muestra la tiva TM4C123GXL con su distribución de pines:
Figura 15. Entorno de desarrollo Tiva C series – TM4C123GXL con la distribución de pines, del
43
CAPITULO III
Diseñar y construir etapa de medición.
En el capítulo I se analizaron las principales tecnologías de iluminación, donde se
optó por los LED de alta potencia, teniendo en cuenta sus características y
ventajas, en comparación con los demás tipos de iluminación artificial encontradas
actualmente en el mercado.
A continuación se muestra el diagrama de bloques general del sistema:
Figura 16. Diagrama de bloques general del sistema.
El sensor TCS3200 ya viene adecuado con pines de entrega directa a polarización
y conexión con el micro controlador, lo que permite que no requiera circuitos
adicionales, luego de la caracterización del sensor se hallaron las gráficas de
respuesta en longitud de onda de cada uno de los filtros con respecto al color
44
A continuación se detalla la estructura más importante del código utilizado para habilitar puertos y toma de datos del sensor TCS3200 utilizando la Tiva C series –
TM4C123GXL, mediante el cual se realizó la caracterización del sensor:
En primer lugar se determinan los pines del microcontrolador a utilizar, eligiendo
en este caso pines con funciones digital read, digital write y analog write, con el fin
de ser configurados como entradas o salidas según sea el caso, adicional se
ingresan 4 constantes internas de correcion con el fin de ajustar los datos si se
presentan lecturas pobres o con presencia de ruido:
Figura 17. Código para selección de pines a utilizar del micro controlador
Una vez establecidos los pines a utilizar, se procede a determinar cuales seran
entradas y cuales salidas, de acuerdo a la funcion que cumpla cada uno de ellos,
para tal fin nos basamos en la documentacion y analisis realizados en el capitulo 2
habilitando 5 pines como salidas (OUTPUT) para los pines (S0, S1, S2, S3, OE),
se habilita un pin de entrada (INPUT) el cual nos proporcionara los datos
obtenidos del sensor, de manera adicional se establecen valores predeterminados
para los pines S0, S1, OE, con el fin de brindar la configuracion inicial de
45
El Codigo de programacion utilizado se detalla en la figura 18:
Figura 18. Código para la configuración inicial pines entradas y salidas
Para las pruebas iniciales se configuran los pines S2 y S3, de tal manera que nos
permitan realizar lectura sin filtro, lectura con filtro rojo, lectura con filtro verde y
lectura con filtro azul, para establecer la respuesta de cada matriz de filtros, y de
esta forma determinar la composición en R,G,B del color sensado.
A continuación se muestra código de ejemplo utilizado para habilitar lectura sin
filtro, se debe tener en cuenta que este código debe replicarse 3 veces más
variando de forma digital los valores de los pines S2 y S3 de acuerdo a
documentación del capítulo 2.
Figura 19.Código base para la lectura del dato entregado por el sensor;
Para terminar con la caracterización del sensor, se muestran los datos obtenidos
mediante uso del monitor de puerto serial proporcionado por la interfaz de
programación, para luego exportar datos a Excel y generar el respectivo análisis
comportamental del dispositivo. Para este fin se utilizó el código relacionado en la
46
Figura 20 código utilizado para la escritura en el puerto serial.
Una vez realizado un barrido en frecuencia con la toma de diferentes colores en el
espectro visible, se realizaron diversas pruebas para establecer la respuesta del
sensor a cada uno de los filtros red, Green, blue y si filtro, con el fin de establecer
un modelo matemático que permita describir el comportamiento del sensor.
Partiendo del hecho que el dato que nos entrega la toma de medida sin filtro( C ),
corresponde al brillo irradiado por la fuente lumínica, y que este valor no determina
la lectura del color, se procede a restarlo de los valores obtenidos de los filtros R,
G, B.
En la figura 21 a se muestran los datos en bruto obtenidos del sensor luego de
restar la variable C a cada uno de ellos.
47
En la figura b se muestran los datos normalizados a 100% para estandarizar las
mediciones obtenidas del sensor, teniendo en cuenta que a mayor potencia, mayor
será la intensidad y la medición de cada una de las variables.
Figura 22. Grafica de respuesta en longitud de onda para las variables R, G, B una vez restada la luminancia normalizada a 100%.
Una vez realizadas las pruebas correspondientes para caracterizar el sensor, se
genera el diagrama de flujo correspondiente para la lectura, procesamiento,
modelado, y escritura de los datos entregados por el sensor, para que estos sean
útiles al desarrollo del proyecto que se plantea realizar.
Par establecer el diagrama de flujo base para el diseño, y programación se
contemplan a rasgos generales las siguientes acciones: Declarar e inicializar variables globales
Realizar configuración de entradas y salidas
Cargar valores iniciales Habilitar puerto serial
generar método para lectura del sensor
generar método para la escritura de los PWM para el control de cada uno de los canales del LED RGB.
48
se mide el ancho de pulso de cada una de las señales emitidas por el sensor para las variables R (filtro rojo), G (filtro verde), B (filtro azul), C (sin filtro – medida de luminancia).
Se resta la variable C de las demás variables (R – C), (G – C), (B – C).
Almacenamiento de datos.
Procesamiento de datos:
Se envían los datos almacenados mediante comunicación serial
Se realiza modelamiento matemático de los datos obtenidos
Se muestran datos mediante herramienta de monitor serial incorporado al entorno de programación.
En la figura se muestra el diagrama de flujos detallado para la programación del
microcontrolador:
Figura 23. Diagrama de flujos para la programación del entorno de desarrollo Tiva C series –
49
Cada uno de los procesos descritos en la figura anterior contiene una serie de
subprocesos que permiten que los métodos funcionen, en la figura se detallan
cada uno de los subprocesos para el diagrama de flujos utilizado para la
programación del microcontrolador:
Figura 24. Diagrama de flujos de subprocesos detallado para la programación del entorno de desarrollo Tiva C series – TM4C123GXL.
Se configuraron los siguientes subprocesos:
Método leeSerialRGBW2PC ( ): donde se leen los datos para controlar el dutty del PWM. Este se discrimina en casos para el control individual de
cada uno de los canales R,G,B
Método serialSensor(): compuesto por 2 subprocesos más, el método
leerDatosSensor(), se encarga de realizar la configuración necesaria para
configurar los parámetros de funcionamiento del sensor y de esta manera
obtener el dato de respuesta del pin OUT, además de generar el
tratamiento matemático del dato; el método enviarDatosSensor() se
encarga de escribir los datos al puerto, bien sea para observarlos por
monitor serial del entorno de programación o para la recepción de software
50
MEDICIONES LABORATORIO DE ENSAYOS ELECTRICOS E INDUSTRIALES UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Como parte de la calibración del sensor y con el apoyo del laboratorio de ensayos
eléctricos e industriales de la Universidad Nacional de Colombia, se generaron
diversas mediciones de calibración para asegurar la calidad del dispositivo.
Se utilizó un espectrómetro óptico para determinar la longitud de onda irradiada
por un LED RGB y de forma paralela se realizaron las mismas mediciones con
nuestro sistema de medición basado en sensor TCS3200.
Se tomaron datos variando intensidad de voltaje en alimentación y distancia, para
lograr mayor homogeneidad en los datos obtenidos, a continuación se muestran
datos relevantes y gráficos generados por el espectroscopio óptico.
En la figura 25 se muestra medición en longitud de onda correspondiente al
espectro rojo cuya longitud de onda nos arroja 623nm.
Figura 25. Longitud de onda en el espectro del rojo.
El laboratorio cuenta con las condiciones necesarias para realizar pruebas, ya que
se encuentra aislado de ruido e interferencias, adicional el sitio presenta
