DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INGENIERIA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA.
PRESENTA:
MARCO POLO FUENTES GUERRA
ASESOR:
ING. ERASMO VALVERDE TRUJILLO.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO.
INGENIERIA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
TITULO:
DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA.
FUENTES GUERRA
ING. ERASMO VALVERDE TRUJILLO.
MÉXICO D.F. SEPTIEMBRE
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INGENIERIA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA.
DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA.
2012
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
AGRADECIMIENTOS
A MIS PADRES
Sé que jamás les podre agradecer el amor que me han brindado a través de la vida, pero este
logro es gracias a ustedes. Todo su apoyo ha permeado en la persona que hoy soy, le doy gracias
a Dios por tener unos padres excepcionales que han estado en cada momento conmigo,
inculcándome con su ejemplo la responsabilidad, honestidad y sobre todo el amor a lo que se hace
en cada acción. Muchas gracias por ser como son, los amo.
A MI HERMANA
Gracias por estar a mi lado en los momentos más importantes de mi vida, eres un gran apoyo para
seguir adelante, te amo hermana.
A MIS FAMILIARES
Por ser personas que siempre han estado conmigo, quiero agradecer su apoyo, comprensión y
paciencia en todas y en cada una de las etapas de mi vida. Algunas están presentes y otras en
mis recuerdos y en mi corazón. Les agradezco profundamente lo que hacen por mí, pero sobre
todo, por el amor y apoyo que me dan.
AL PROFESOR ERASMO VALVERDE TRUJILLO
Por compartir sus conocimientos conmigo y apoyarme en el último paso de mi carrera profesional,
sus consejos serán una enseñanza para toda mi vida.
A MIS AMIGOS
Quienes de alguna manera han ayudado a fortalecer mi carrera. Salud.
AL INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Me llevo un gran orgullo al saber que pertenezco a esta gran institución y me llevo los colores en el
alma como buen politécnico que soy. ¡¡¡ Huelum……..
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
ÍNDICE
Objetivo……………..…………….…………………………….……...…Pág.1 Introducción……………………..……………..……...………………...Pág.2 Justificación….………..………………..…….…….…...…….…….......Pág.4
Capitulo 1 MARCO TEÓRICO……….…………………………….…Pág.5
1.1 Aeroponía………………………………………..……………….......Pág.5
1.1.1 Ventajas ecológicas……………..………………………….………….……….Pág.5 1.1.2 Incremento en la exposición al aire………..……………….…………..……. Pág.6 1.1.3 Beneficios del oxígeno en las raíces……...............……….…………….......Pág.6 1.1.4 Otros beneficios del aire (CO2)....................................................................Pág.6 1.1.5 Agua y nutrientes hidro-atomizados……………..………...………...….…...Pág.7 1.1.6 Como herramienta de investigación……………..………...………..….…….Pág.7 1.1.7 Tipos de Aeropónicos……………………………..…………………..………..Pág.7
1.7.1 Unidades a baja presión………………………………….……..…………………….…....Pág.7 1.7.2 Dispositivos de alta presión…………………………………..………….…………………Pág.8
1.1.8 VENTAJAS DE LA AEROPONIA………………………..……………….…..Pág.8
a) Fácil y práctica…………………………………………………………..….………………...….Pág.8 b) Control sobre la nutrición vegetal……………………………………..…………………….....Pág.8 c) Buen desarrollo en diferentes variedades de planta………………..……….……………….Päg.8
1.1.9 No hay competencia de nutrientes………….………………….…..……..….Pág.9 1.1.10 Ahorro de agua……………………………….………………………..…...….Pág.9 1.1.11 Producción fuera de temporada……………..……………………..……......Pág.9 1.1.12 El daño al medio ambiente………………….……………………….............Pág.9 1.1.13 Prevención de contaminación……………………………………….……...Pág.10 1.1.14 Desventajas………………………………………………………….…….….Pág.10
1.1.14.1 Los nutrientes dependen directamente del productor………………………............Pág.10 1.1.14.2 La inversión económica…………………………………………………………...........Pág.11
1.2 Historia de los ultrasonidos………………………………..….……………Pág.12
1.2.1 Generadores de ultrasonidos…………………………………..……………Pág.13 1.2.2 Generadores ultrasónicos que utilizan campos eléctricos……..…………Pág.13
A) Vibración longitudinal…………………….………………………………………..………..….Pág.15
B) Vibración transversal…………………….………………………………………….…………Pág.17
1.2.3 Propagación de ultrasonidos…………………………………..…………….Pág.18 1.2.4 Detección de ultrasonidos……………………………...…………………….Pág.19 1.2.5 Efectos de los ultrasonidos……………………………………...…………...Pág.19 1.2.6 Aplicaciones de los ultrasonidos……………………………………………..Pág.20
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1.3 Efecto Piezo eléctrico………………………………………………………..Pág.21 1.3.2 Altavoz piezo-eléctrico……………………………………………….………..Pág.22
1.4 Osciladores……………………………………………………………………Pág.23
1.4.1 Funcionamiento Del Circuito Integrado 555…………………………...……Pág.23 1.4.1.1 Multivibrador Astable……………………………………………………………………...Pág.24
1.5 Sensor HMZ433A1...................................................................................Pág.26 1.5.1 Termistor…………………………………………………………………..……Pág.26
1.6 Arduino UNO……………………………………………………………….….Pág.28
1.7 Control Sistema de Lazo cerrado…………………………………….……Pág.29
Capitulo 2. Desarrollo……………..…………………….…Pág.30
2.1 Problema a solucionar……………………………………………..…….....Pág.30
2.2 Diseño Dispositivo Ultrasónico……………………………………..……..Pág.31 2.2.1 Principio De Funcionamiento…………………………………………………Pág.31 2.2.2Características Del Diseño….…..……………….........................................Pág.31
2.3 Elementos del diseño…………………………………………………….…Pág.34 2.3.1 Macronutrientes…………………………………………………………Pág.34
A).Nitrógeno…………………………………………………………………………………….….Pág.34 B) Fósforo…………………………………………………………………………………..….…...Pág.35 C) Potasio………………………………………………………………………………..…….…...Pág.35 D) Calcio…………………………………………………………………………..……………......Pág.35 E) Magnesio…………………………………………………………………………..…………….Pág.36 F) Azufre…………………………………………………………………………………..………...Pág.36
2.3.2 Micronutrientes………………………………..……………………………....Pág.36
A) Boro……………………………………………………………………………………………....Pág.36 B) Cobre……………………………………………………………….……………………….……Pág.37 C) Hierro…………………………………………………………………….……………………….Pág.37 D) Magnesio……………………………………………………………………….………….…….Pág.37 E) Zinc…………………………………………………………………………………………….....Pág.38
2.3.3 Semillero………………………………………………………………….….....Pág.38 2.3.4 Fibra de coco……………………………………………………..………........Pág.38 2.3.5 Semilla de lechuga romana………………………………………..….……...Pág.39 2.3.6 Canastilla…………………………………………………………………….....Pág.39
2.4 Control del dispositivo ultrasónico basado en temperatura y humedad………………………………………………………………………..…..Pág.40
2.4.1 Problema de control de humedad y temperatura………………………....Pág.40 2.4.2Como lo vamos a desarrollar……………………………………………...…Pág.40
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2.5 Programa de control………………………………………………………..Pág.41 2.5.1 Explicación del programa…………………………………………………...Pág.42
Capitulo 3. Pruebas y Resultados……………………………….Pág.45
3.1 Desempeño del dispositivo ultrasónico………………………………....Pág.45 3.1.1 Primeras pruebas del dispositivo ultrasónico antes de que fuera encapsulado…………………………………………………………..…….…….......Pág.46 3.1.2 Prueba del dispositivo ultrasónico encapsulado….……………………...…Pág.47 3.1.3 Prueba de.l control de humedad y temperatura….…………………..........Pág.48 3.1.4 Explicación del control………………….………………………………..…....Pág.49 3.1.5 Medición de Temperatura y Humedad…………….…….……...…………...Pág.50 3.1.6 Medición de Propagación del Sonido en el Agua....………………………..Pág.51 3.1.7 Retroalimentación del Consumo del Agua……………………….………....Pág.51 3.1.8 Tiempo de Cosecha de la Lechuga………………………………………......Pág.52
CONCLUSIÓN..............................................................................Pág.54 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………Pág.55 REFERENCIAS………………………………………………………Pág.56 APÉNDICE……………………………………………………………Pág.57 ANEXOS………………………………………………………………Pág.58
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
1
OBJETIVO
Diseñar y construir un dispositivo ultrasónico, para utilizarlo en el proceso de Aeroponía,
mejorando el rendimiento productivo.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
2
INTRODUCCIÓN Se desarrolla un dispositivo ultrasónico con sensor de humedad y temperatura controlado por
una tarjeta de adquisición de datos llamada ARDUINO UNO, para los principios elementales y
fundamentales de la aplicación llamada Aeroponía.
El desarrollo de esta tesis esta empleado para el uso de la Aeroponía, tomando como base los
problemas de la agricultura. Esto es con gran futuro en el aspecto ecológico a nivel mundial, el
método de la alimentación a plantas mediante ondas ultrasónicas en un entorno de
nebulización1
El dispositivo ultrasónico tiene un funcionamiento llamado “Piezo - Electricidad” este fenómeno
es el que se encarga de hacer comprimir y expandir el cristal de cuarzo para generar ondas
ultrasónicas que a su vez hace que haya una reacción física
aéreo nos proporciona una oportunidad de cultivar, ya que la utilización de este
sistema puede adaptar las condiciones especificas para el buen crecimiento de las plantas, sin
importar las condiciones externas del medio ambiente.
2
Los dispositivos ultrasónicos producen una nebulización del
en el agua y así obtener una
nebulización.
El dispositivo realiza la particularidad de alimentar a las plantas en un entorno aéreo o de
niebla, para que a su vez estas sean irrigadas de forma optima logrando un gran beneficio en
su crecimiento.
Humedad
Tomando en cuenta la dificultad que existe para controlar la humedad dentro de la Aeroponía,
y en este caso de las plantas de lechuga que es del orden del 60% - 80% de variación, que
depende de las condiciones climáticas de cada zona, por lo que deberán hacerse correcciones
hasta determinar el rango de producción para cada área o región en particular, esto se
soluciona empleando el dispositivo ultrasónico.
agua a través de vibraciones de
alta frecuencia, son extremadamente seguros, silenciosos, con flujo regulable y de muy bajo
consumo (típicamente de 20W a 35 W). Su uso típico es la restauración de la humedad relativa
durante largos períodos de tiempo.
1 Nebulización: consiste en la formación de partículas líquidas muy pequeñas que permanecen mezcladas en suspensión con el gas 2 Física: Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos capaces de medida.
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3
Temperatura
La temperatura para el proceso de crecimiento de las lechugas es de 14°-18° grados
centígrados. Las variaciones dentro del dispositivo ultrasónico pueden ocasionar graves
problemas, sobre todo retraso en el crecimiento de las plantas, por lo que es aconsejable llevar
un registro, con el objeto de prever y corregir las oscilaciones.
Control.
Para hacer funcionar el dispositivo es necesario la utilización de una tarjeta de adquisición de
datos llamada ARDUINO UNO y un sensor de humedad3 y temperatura4
el cual nos va a decir
el rango que tenemos que ocupar para la adecuada irrigación de nuestras hortalizas.
La manipulación del dispositivo ultrasónico es por medio de un programa que controla la
humedad y temperatura.
3 Humedad: Cantidad de vapor de agua presente en el aire. 4 Temperatura: Cualidad que representa el estado térmico de los cuerpos y es un valor indicativo de la energía cinética de las moléculas de dichos cuerpos
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4
JUSTIFICACIÓN
El cambio climático en nuestro planeta ha provocado estragos en todos los
ecosistemas, los cuales han generado que la agricultura sufra las consecuencias, en el caso
que nos ocupa las hortalizas han dejado de crecer por las variaciones en las propiedades tanto
del suelo como del ambiente, es por ello que se plantea solucionar este problema diseñando un
sistema de crecimiento mediante ondas de ultrasonido5
5 Ondas de ultrasonido: Es una
, para en un determinado tiempo lograr
recuperar los ecosistemas y cultivar cualquier tipo de planta en el lugar que se desee.
onda sonora cuya frecuencia supera el límite perceptible por el oído humano (es decir, el sonido no puede ser escuchado por las personas ya que se ubica en torno al espectro de 20.000 Hz).
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5
Capitulo 1. MARCO TEÓRICO
1.1 Aeroponía
“Aeroponía es el proceso de cultivar plantas en un entorno aéreo o de niebla sin hacer uso
de suelo. La palabra "Aeroponía" viene de los términos griegos “aero” y “ponos” que significan
respectivamente aire y trabajo" 6
1.1.1 Ventajas ecológicas
. Los cultivos aeropónicos difieren de los convencionales
cultivos hidropónicos y crecimiento in vitro. Como se usa agua para transmitir nutrientes, a
veces equivocadamente se habla de los aeropónicos como un tipo de hidroponía.
El principio básico de la Aeroponía es hacer crecer las plantas en un entorno cerrado o
semicerrado, pulverizando las raíces colgantes y el bajo tallo con una disolución acuosa rica
en nutrientes. Las hojas y corona, a menudo llamadas dosel, se extienden hacia arriba. Las
raíces de la planta están separadas por la estructura de apoyo. Muchas veces se comprime
espuma alrededor del tallo bajo y se inserta en una apertura en la cámara aeropónica, lo que
disminuye el trabajo y los gastos; para plantas más grandes se usa un enrejado que mantiene
el peso de la vegetación y sus frutos.
El crecimiento aeropónico está considerado seguro y ecológico por producir cosechas de forma
natural manteniendo las plantas saludables. La principal ventaja ecológica de los aeropónicos
es la conservación de agua y energía. Comparado con los hidropónicos, los aeropónicos
ofrecen unos requerimientos de agua y energía menores por cada metro cuadrado de cultivo.
Cuando se usan de forma comercial, los aeropónicos usan una décima parte del agua
necesaria con otros métodos para hacer crecer la cosecha pero esto puede reducirse aun más
llegando a una veinteava parte.
6 du Toit, L.J., H.W. Kirby and W.L. Pedersen (1997). Evaluation of an Aeroponics System to Screen Maize Genotypes for Resistance to Fusarium graminearum Seedling Blight. Plant Disease 81(2): 175-179.
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6
1.1.2 Incremento en la exposición al aire
Los cultivos aéreos optimizan el acceso al aire para un crecimiento exitoso. Los materiales y
dispositivos que sostienen y soportan a las plantas aeropónicas las mantienen aisladas de
enfermedades o agentes patógenos7
1.1.3 Beneficios del oxígeno en las raíces
. Una característica de un verdadero cultivo aeropónico es
que provee todas las necesidades de la planta por sí mismo.
La presencia de oxígeno en la rizosfera (zona de las raíces) es necesaria para que haya un
crecimiento saludable de la planta. Como los aeropónicos se cultivan con aire en combinación
con microgotas de agua, casi cualquier planta puede crecer hasta la madurez en el aire,
siempre y cuando cuente con suficiente oxígeno, agua y nutrientes.
Algunos cultivadores favorecen los sistemas aeropónicos sobre los hidropónicos debido a que
la aireación aumentada de los nutrientes hace que llegue más oxígeno a las raíces de las
plantas, estimulando su crecimiento y ayudando a prevenir la formación de patógenos.
El aire limpio se abastece de oxígeno, el cual es un purificador excelente para las plantas y el
entorno aeropónico. Para que la planta tenga un crecimiento natural debe tener acceso sin
restricciones al aire. Permitiendo que las plantas crezcan de forma natural para un desarrollo
fisiológico exitoso. Entre más confinado8
1.1.4 Otros beneficios del aire (co2)
sea el sistema, mayor será la probabilidad de que la
presión enferme la planta y al entero sistema aeropónico.
Las plantas en un verdadero aparato aeropónico tienen acceso 100% a concentraciones
de dióxido de carbono que van desde las 450 ppm “pulsaciones por minuto” hasta las 780 ppm
por fotosíntesis. A una milla (1,6km) sobre el nivel del mar, la concentración de CO2 en el aire
es 450 ppm durante el día. Por la noche, el nivel sube hasta los 780 ppm. A menor elevación el
nivel será más alto. En cualquier caso, el aparato de cultivo aéreo ofrece a las plantas la
capacidad de tener acceso pleno a todo el CO2 en el aire para la fotosíntesis de acuerdo a
cada especie.
7 Patógenos: Elemento o medio que origina y desarrolla las enfermedades=gérmenes. 8Confinado: Enviar o desterrar obligatoriamente a alguien a un lugar del que se le impide salir
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7
1.1.5 Agua y nutrientes hidro-atomizados
Un equipo de Aeroponía requiere el uso de rociadores, pulverizadores9
1.1.6 Como herramienta de investigación
, nebulizadores u otros
dispositivos para crear una fina niebla de solución, necesaria para entregar los nutrientes a las
raíces. Los sistemas aeropónicos son normalmente sistemas de ciclo cerrado que proporcionan
macros y micro-ambientes, adaptados para mantener un cultivo aéreo de forma constante y
confiable. Se han desarrollado muchas innovaciones para facilitar la pulverización y la
nebulización aeropónica.
Una variante de la técnica de la niebla es el uso de nebulizadores de ultrasonido que crean
neblinas de nutrientes en sistemas aeropónicos de baja presión.
Poco después de su desarrollo, la Aeroponía se posicionó como una valiosa herramienta de
investigación. Los aeropónicos brindan a los investigadores una forma no invasiva de examinar
las raíces en desarrollo. Esta nueva tecnología puso su disposición una mayor cantidad y
variedad de parámetros experimentales utilizables en sus trabajos.
La capacidad de controlar con precisión los niveles de humedad en la raíz y la cantidad de
agua suministrada hace a la Aeroponía ideal para el estudio del estrés hídrico.
1.1.7 Tipos de Aeropónicos
1.1.7.1 Unidades a baja presión
En la mayoría de los jardines aeropónicos de baja presión, las raíces de las plantas se
suspenderán a partir del depósito de la solución nutritiva o dentro de un canal conectado al
mismo. Una bomba de baja presión envía la solución de nutrientes a chorros o mediante
transductores10
9 Pulverizadores: Utensilio que sirve para esparcir un líquido en gotas muy finas. 10 Transductores: Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, temperatura, la dilatación, humedad, en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.
de ultrasonido, que luego la gotean o la drenan de nuevo al depósito. A medida
que las plantas crecen hasta alcanzar la madurez dentro de estas unidades, las zonas secas
de las raíces tienden a sufrir, lo que impide la absorción adecuada de nutrientes. Por razones
de costo, estas unidades no cuentan con purificadores de nutrientes, así como de la adecuada
remoción de inconsistencias, desechos y patógenos indeseables. Estas unidades suelen ser
adecuadas para aeropónicos de banco y para demostraciones de los principios de Aeroponía.
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8
1.1.7.2 Dispositivos de alta presión
En los aeropónicos con tecnología de alta presión, la niebla es generada por una bomba de
alta presión, la cual se utiliza normalmente en el cultivo de cosechas de alto valor y
especímenes de plantas que pueden compensar los altos costos de instalación de este método
de horticultura11
Los sistema de Aeroponía a alta presión incluyen tecnologías para la purificación del aire y el
agua, la esterilización de nutrientes, polímeros
.
12 livianos y sistemas de suministro de nutrientes
presurizados13
Existe un control sobre la nutrición vegetal gracias al uso de
.
1.1.8 Ventajas de la Aeroponía
a) Fácil y práctica.
La fácil y sencilla práctica de la Aeroponía hace que se pueda iniciar a grande o pequeña
escala de producción, debido a que nosotros daremos las condiciones y nutrientes para que la
planta tenga un crecimiento óptimo y una mejor producción.
b) Control sobre la nutrición vegetal
soluciones nutritivas y por lo tanto
mayor calidad del producto superando en mucho los productos convencionales.
c) Buen desarrollo en diferentes variedades de planta
Como las condiciones y la nutrición de la planta son controladas para el buen crecimiento de
esta, hay una mejora de las propiedades organolépticas14
del fruto, tanto el sabor como las
propiedades nutritivas. Así mismo gracias al control sobre los nutrientes que recibe la planta,
puede haber un cultivo exitoso en cualquier especie o variedad vegetal.
11 Horticultura: Como una rama de la agricultura que se orienta hacia el cultivo intensivo de las plantas utilizadas directamente por el hombre 12 Polímeros: Se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas que se repiten a lo largo de toda una cadena. 13 Presurizados: Mantener la presión atmosférica de un recinto a niveles normales para los humanos, independientemente de la presión exterior 14Organolépticas: Las propiedades de los cuerpos que se pueden percibir por los sentidos.
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9
1.1.9 No hay competencia de nutrientes
En los cultivos aeropónicos, los vegetales alcanzan tamaños sorprendentes en poco tiempo por
lo que permite que sean cosechados antes de tiempo, esto se debe a que no hay una
competencia de nutrientes. En las lechugas, donde en tierra su ciclo antes del consumo es de
aprox. 3.5 meses, cuando en Aeroponía, en la técnica de raíz flotante las podemos cultivar en
un mes aproximadamente a partir de su germinación.
1.1.10 Ahorro de agua
El gran problema en México y todo el mundo es el abasto de agua, este es un elemento vital
tanto para la planta como para el ser humano, es por eso que con la ayuda de la Aeroponía
podremos optimizar el uso de este recurso entre 80 y 90% de un ahorro de agua que se puede
reciclar y utilizar.
1.1.11 Producción fuera de temporada
Las condiciones de nuestro invernadero son artificiales esto nos da la facilidad de poder
producir hortalizas sin importar los ciclos de agricultura. Una de las grandes ventajas de la
aeroponía es que en un invernadero se pueden producir vegetales fuera de temporada, y así
obtener mayores dividendos económicos al no estar sujetos a las condiciones del mercado.
1.1.12 El daño al medio ambiente
En la actualidad el problema de contaminación del suelo por los fertilizantes, la erosión que
presentan estos y la destrucción de los bosques y selvas, nos lleva a implementar nuevas
estrategias para suministrar la demanda alimenticia, es por eso que los cultivos aeropónicos
son una alternativa para disminuir el daño al suelo que ha sido ocasionado durante muchos
años, de esta manera ayudamos a reducir el daño al medio ambiente.
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10
1.1.13 Prevención de contaminación
Como se menciona antes, las condiciones del invernadero son controladas, lo que nos facilita
controlar, combatir y evitar la presencia de microorganismos15
Es por esto último que es tan importante trabajar sobre un
.
sustrato16
• Permiten obtener cultivos más homogéneos y, de forma especial, favorecen el desarrollo de
un sistema radicular
desinfectado, ya que la
Aeroponía nos da la oportunidad de trabajar sobre un medio esterilizado, lo cual es valorado
por muchos consumidores.
Por ser un cultivo sin tierra, el cultivo aeropónico ofrece la ventaja de no necesitar grandes
terrenos para que rinda frutos y no depende de la calidad del suelo, sino de la solución. Los
implementos y costos la hacen rentable.
17
15 Microorganismos: son aquellos seres vivos más diminutos que únicamente pueden ser apreciados a través de un microscopio
más homogéneo.
• Mayor eficiencia del agua utilizada, lo que representa un menor consumo de agua por
kilogramo de producción obtenida.
• Respecto a los cultivos establecidos sobre un suelo normal, los cultivos aeropónicos utilizan
los nutrientes minerales de forma más eficiente.
1.1.14 Desventajas
1. 1.14.1 Los nutrientes dependen directamente del productor.
Así como en la tierra la planta depende del productor, la diferencia es que en la Aeroponía los
nutrientes para que la planta se desarrolle dependen directamente del productor.
16 Sustrato: Todo tipo de material orgánico o inorgánico que encerrado en un contenedor sirve de soporte físico para el cultivo de una planta y que en su condición de materia puede o no aportar nutrientes. 17 Sistema radicular: Es el conjunto de raíces que soportan a la planta al sustrato. Esta constituido por una raíz primaria, secundarias, y pelos absorbentes.
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11
1.1.14.2 La inversión económica
En cuestión económica existe una diferencia amplia ya que la inversión inicial de un cultivo
aeropónico es mayor a la inversión de un cultivo en tierra, ya que se requiere el equipo
indispensable para echar a andar el proyecto.
La mala información sobre el cultivo, los costos excesivos que se promueven, hacen parecer a
la Aeroponía como una técnica de otro mundo e inalcanzable para la mayoría de la gente.
Fig. 1 Inversión para el Sistema
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
12
1. 2 Historia de los ultrasonidos
En el año 1883, Galton investigó los límites de la audición humana, fijando la frecuencia
máxima a la que podía oír una persona. Llegó a la conclusión de que los sonidos con
frecuencias inaudibles por el ser humano, presentaban fenómenos de propagación similares al
resto de las ondas sonoras, aunque con una absorción mucho mayor por parte del aire.
A partir de entonces, se empezó a investigar en temas relacionados con la generación de
ultrasonidos:
• Los hermanos Curie descubrieron la piezo electricidad en 1880. Fueron Lippmann y
Voigt en la década de los 80 del siglo XIX quienes experimentaron con el llamado
efecto piezo eléctrico inverso, aplicable realmente a la generación de ultrasonidos,
como veremos.
• Joule en 1847 y Pierce en 1928 descubrieron el efecto magneto estrictivo18
• A lo largo del siglo XX, se han producido grandes avances en el estudio de los
ultrasonidos, especialmente en lo relacionado con aplicaciones: acústica
, directo e
inverso.
19
subacuática,
medicina, industria. Concretamente, Langevin lo empleó durante la primera guerra
mundial para sondeos subacuáticos, realizando un sencillo procesado de las ondas y
sus ecos. Richardson y Fessenden, en la década de los años 10 idearon un método
para localizar icebergs, con un procedimiento similar al utilizado hoy en día (método de
impulsos). Mulhauser y Firestone, entre 1933 y 1942 aplicaron los ultrasonidos a la
industria y a la inspección de materiales.
Fig. 2 Gráfica de una onda ultrasónica.
18 Magneto estrictivo: Las vibraciones en forma de sonido son causadas por la frecuencia de las fluctuaciones del campo 19 Acústica: Es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecánicas que se propagan a través de la materia.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
13
1.2.1 Generadores de ultrasonidos
La idea básica para generar ultrasonidos es bastante simple. Los generadores o transductores
son unos aparatos que constan de un elemento, llamémosle primario o transformador, que está
en contacto con el medio y que transforma una señal eléctrica, magnética o mecánica en una
onda ultrasónica. La señal "fácil" de generar (eléctrica, magnética, mecánica), es proporcionada
por el elemento secundario.
Esq.1 Generador ultrasónico.
En la primera etapa convierte las ondas eléctricas en energía mecánica, y en la segunda
convierte la energía mecánica en energía acústica.
Las ondas producidas, hacen vibrar el medio, lo cual es coherente con el concepto de onda
sonora (onda de presión). Los generadores se diseñarán con el objetivo de radiar la mayor
cantidad de potencia acústica posible: se usará la frecuencia de resonancia.
1.2.2 Generadores ultrasónicos que utilizan campos eléctricos
Las señales eléctricas son sencillas de conseguir. ¿Cómo se transforman en ondas sonoras?
La idea es acudir al llamado efecto piezoeléctrico inverso. El efecto directo, la piezoelectricidad
es un fenómeno que consiste en la aparición de cargas eléctricas en las caras de determinados
cristales cuando se ejerce sobre ellos una presión o tracción mecánica. Varios son los cristales
que poseen esta propiedad; entre ellos podemos destacar el cuarzo, la turmalina o la sal de
Rochelle. Todos estos cristales se caracterizan por tener ciertos ejes fundamentales: óptico,
eléctrico y mecánico, careciendo todos ellos de centro de simetría.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
14
Fig. 3 Cristal de cuarzo, corte en X “Beranek”20
20 Beranek, L. L., “Acoustics”, Acoustical Society of America, 5
Th ed, (1996).
Existe una relación directa entre el esfuerzo mecánico ejercido y la carga aparecida,
apareciendo un valor máximo cuando el cristal es cortado perpendicularmente al eje polar.
Según las dimensiones y forma de un cristal poseedor de este efecto, existe una llamada
frecuencia de resonancia, que es aquella para la cual un esfuerzo mecánico provoca la mayor
aparición de cargas posible (en picos de amplitud). Los esfuerzos mecánicos que se aplican
sobre el cristal pueden ser de tracción o de compresión; la diferencia entre los efectos de
ambos está en el signo de la carga aparecida únicamente.
Si se aplica un campo eléctrico sobre un material piezoeléctrico. Hablamos pues del efecto
piezoeléctrico inverso, que es el que verdaderamente se utiliza en la práctica para la
generación de ondas ultrasónicas.
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15
Fig. 4 La vibración del cristal puede ser de dos tipos esencialmente. “Beranek”21
A) Vibración longitudinal
Ec.1
Donde: δη/δy es la deformación longitudinal del cristal, s22 es el inverso del módulo de Young
del cristal medido paralelamente al eje Y, Fy es la fuerza de compresión paralela a la dirección
Y, Sy es el área de la sección transversal perpendicular a Y (lxlz), d12 es el coeficiente
piezoeléctrico de deformación del cristal y Ex es la diferencia de potencial entre las superficies
del material. En el segundo miembro de la ecuación, el primer término representa el esfuerzo
longitudinal producido por una fuerza de compresión mientras que el segundo es el esfuerzo
adicional en la dirección y producido por efecto piezoeléctrico inverso.
.
En este caso, el campo eléctrico y la fuerza vibratoria aparecida tienen lugar en el mismo eje.
Las ecuaciones que describen el comportamiento del cristal son no lineales. Sin embargo, en
un cristal de cuarzo cortado en X, como el que se ve en la figura anterior, las expresiones son
más sencillas. Concretamente:
21 Beranek, L. L., “Acoustics”, Acoustical Society of America, 5
Th ed, (1996).
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
16
El valor de la densidad superficial de carga aparecida por efecto piezoeléctrico se muestra a
continuación:
Ec.1.2
εx se define como la constante dieléctrica del cuarzo medida paralelamente al eje X cuando el
cristal está libre de fuerzas externas. El primer término del segundo miembro representa la
densidad de carga superficial que aparece sobre las caras paralelas de un condensador plano
y el segundo, la densidad de carga adicional generada por efecto piezoeléctrico directo.
Combinando las ecuaciones anteriores se llega a una relación entre la carga aparecida y la
deformación longitudinal:
Ec.1.3
Hechas estas consideraciones, la potencia acústica radiada a un medio con resistencia R:
Ec.1.4
Y la frecuencia de resonancia22
Ec.1.5
es:
22 Frecuencia de resonancia: Se denomina a aquella frecuencia característica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado máximo de oscilación.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
17
Donde ρ es la densidad del material.
Nótese que la potencia radiada es proporcional al cuadrado del potencial aplicado. Este
método se emplea cuando los ultrasonidos deseados son de frecuencias inferiores a los 100
KHz.
B) Vibración transversal
Ec.1.6
.
El campo eléctrico y la fuerza vibratoria aparecida se producen en ejes perpendiculares. Las
ecuaciones del cristal en este caso son:
Ec.1.7
En este caso, δξ/δx es el esfuerzo transversal e11 es el coeficiente de esfuerzo piezoeléctrico y
c11 es el coeficiente de rigidez elástico del cristal. Los resultados finales:
- Potencia acústica radiada a un medio con resistencia R:
Ec.1.8
- Frecuencia de resonancia:
Ec.1.9
Análogos formatos comparando con el caso de vibración longitudinal. Este tipo de vibraciones
se suelen utilizar para generar ultrasonidos a altas frecuencias.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
18
1.2.3 Propagación de ultrasonidos
Las ondas producidas, hacen vibrar el medio, lo cual es coherente con el concepto de onda
sonora. Los generadores se diseñarán con el objetivo de radiar la mayor cantidad de potencia
acústica posible: se usará la frecuencia de resonancia.
La posterior transmisión de estas ondas depende, en gran medida, del medio. Cada medio
tiene una impedancia23
Existen las llamadas ondas de dilatación
distinta, lo cual hace variar la velocidad de propagación entre otras
variables. Es importante darse cuenta de que medios con impedancias muy distintas provocan
grandes reflexiones. Evitar el aire en la transmisión puesto que una capa de este gas podría
anular la propagación de la onda ultrasónica, dada la alta atenuación que proporciona.
24
Tipo de onda
(longitudinales), que hacen variar el volumen del
material a través del cual se propagan; y ondas de distorsión (transversales), que no provocan
variación en el volumen aunque los límites del medio pueden ser modificados. Una
combinación de ambas son las llamadas ondas de superficie. Se trata de ondas que viajan a
una distancia muy pequeña de la superficie del medio. Tabla resumen:
Gas Líquido Sólido Movimiento de partícula Aplicación
Longitudinal Sí Sí Sí Compresión y relajación a lo largo del eje de propagación
Pruebas, mediciones,...
Transversal No Muy poco Sí Desplazamiento perpendicular al eje de propagación
Pruebas, soldadura, resonancia,...
Superficie No No Sí Elíptico con alta atenuación por debajo de la superficie
Pruebas de superficie para partes con difícil acceso.
Tabla. 1 Tipos de ondas
23 Impedancia: Es una magnitud que establece la relación (cociente) entre la tensión y la intensidad de corriente. 24 Dilatación: Variación del volumen de un cuerpo por la acción del calor, que separa las moléculas y disminuye la densidad.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
19
Fenómenos ondulatorios típicos, tales como la reflexión 25, refracción 26 y difracción 27
1. 2.4 Detección de ultrasonidos
tienen
lugar, en ondas ultrasónicas, de manera análoga a otros tipos de ondas. La longitud de onda es
muy pequeña, lo cual tiene efectos apreciables en fenómenos como la difracción. Este tipo de
ondas pueden considerarse como planas, con propagación rectilínea debida al pequeño valor
de su longitud de onda; la energía, por tanto, no puede desplazarse a través de
discontinuidades.
Sistemas de detección y medida de ultrasonidos. Estos sistemas son importantes puesto que,
en ciertas ocasiones, necesitaremos medir un campo ultrasónico para conocer sus
características; otras veces, la energía recibida habrá que convertirla en otro tipo de energía; y
habrá otros casos en los que el objetivo último sea simplemente la detección cualitativa de los
ultrasonidos.
1.2.5 Efectos de los ultrasonidos
Quizá el efecto físico más importante es la denominada cavitación 28
♦ Frecuencia. A mayores frecuencias, el tiempo dado a la burbuja para que crezca y
afecte al sistema es pequeño, por lo que el efecto de la cavitación es menor.
. Este fenómeno se
produce en los líquidos y su causa no es únicamente el ultrasonido. La idea es que la onda, si
tiene amplitudes grandes, provoca variaciones de presión. Todo líquido tiene un punto llamado
tensión de vapor; cuando nos situamos por debajo de dicho valor de presión, el líquido pasa a
estado gaseoso, lo que genera bolsas de vapor (cavidades). Las burbujas viajan hacia una
región de mayor presión y chocan entre sí. Cuando esto ocurre, la presión aumenta muchísimo,
llegando incluso a los 800 Mpa (mega pascales) y también la temperatura (5000ºC). Como
podemos imaginar, esto es algo tremendamente peligroso puesto que puede destruir
superficies de contención, tuberías y demás. La cavitación depende de muchos aspectos:
♦ Viscosidad. Cuanto más viscoso es un líquido, menor es el efecto de la cavitación.
25 Reflexión: Cambio en la dirección o en el sentido de la propagación de una onda. 26 Refracción: Modificación en la dirección y velocidad de una onda al cambiar el medio en que se propaga. 27 Difracción: Dispersión de un rayo de luz cuando es interceptado por un obstáculo, como otro rayo, un cuerpo opaco o una abertura estrecha. 28 Cavitación: O aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
20
♦ Temperatura. Cuanto mayor es la temperatura, la cavitación tiene lugar para
intensidades acústicas menores.
♦ Presión externa. El aumento de este factor provoca una mayor violencia en la colisión
de las burbujas.
♦ Intensidad. En general, a mayor intensidad ultrasónica, mayor es el efecto de este
fenómeno.
También puede ocurrir que cuando una onda ultrasónica intensa incida sobre una superficie de
separación entre un líquido y el aire se lance hacia arriba un chorro de líquido y se produce una
fina niebla.
1. 2.6 Aplicaciones de los ultrasonidos
Numerosos son los factores que intervienen en los ultrasonidos y son claves para el estudio de
sus aplicaciones: frecuencia, potencia radiada, duración de las radiaciones, pérdidas en el
medio. Hay que considerar los efectos sobre el medio: desplazamiento de las partículas,
presión acústica.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
21
1.3 Efecto Piezo-Eléctrico:
Es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones
mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de
potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa,
esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico.
El efecto Piezo-Eléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un
voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Cuando se comprime el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la estructura de
cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la polarización eléctrica de ella.
Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico, y el voltaje
eléctrico aplicado en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos encuentran un basto
campo de aplicaciones.
Fig. 5 Propiedades de los cristales Piezo Eléctricos.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de
simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento29
29 Cizallamiento: Recorte o fragmento de metal que resultan tras su manipulación
consiste en disociar los centros
de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos
elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies
enfrentadas.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
22
Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma
natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos 30 , que presentan propiedades
piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en
forma de materiales monocristalinos 31
Fig.6 Altavoz Piezo-Eléctrico
y cerámicas o polímeros polares bajo forma de
microcristales orientados).
1.3.1 Altavoz piezo-eléctrico
Un altavoz es un transductor electroacústico, es decir, convierte energía eléctrica en energía
acústica. Esta conversión tiene lugar en dos etapas: la señal eléctrica produce el movimiento
del diafragma del altavoz y este movimiento produce a su vez ondas de presión (sonido) en el
aire que rodea al altavoz.
La cantidad de aire que debe moverse depende de la potencia sonora deseada y de la
frecuencia. Es muy difícil construir un altavoz que funcione en todo el espectro de frecuencias
audible. Para producir un nivel acústico determinado a bajas frecuencias, es necesario mover
una gran cantidad de aire, mientras que en los agudos se obtiene el mismo nivel acústico con
una menor cantidad de aire. Por tanto, normalmente compramos sistemas de altavoces, dos,
tres o incluso más, montados en la misma carcasa junto con un circuito eléctrico.
30 Ferroeléctricos: propiedad empírica de materiales dieléctricos no centrosimétricos, que poseen por lo menos dos estados orientacionales 31 Monocristalinos: material en el que la red cristalina es continua y no está interrumpida por bordes de grano hasta los bordes de la muestra.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
23
1.4 Osciladores
Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o
cambios periódicos o cuasiperiódicos 32
En electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en
una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones
pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la
onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y por lo tanto,
se les llama osciladores sólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que
constituyen una bobina L (inductancia
en un medio, ya sea un medio material (sonido) o
un campo electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos
gamma, rayos cósmicos).
33) y un condensador C (Capacitancia34
El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los
más importantes están: como multivibrador astable
), mientras que a
los demás se le asignan nombres especiales.
Un oscilador electrónico es fundamentalmente un amplificador cuya señal de entrada se toma
de su propia salida a través de un circuito de realimentación.
1.4.1 Funcionamiento Del Circuito Integrado 555
35
32 Cuasiperiódicos: El tipo de evolución temporal que presenta un fenómeno físico que sin ser periódico repite una y otra vez condiciones arbitrariamente cercanas a una posición previa del sistema. 33 Inductancia: Es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma que conforma un inductor. 34 Capacitancia: Es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. 35 Astable: es un multivibrador que no tiene ningún estado estable, lo que significa que posee dos estados "cuasi-estables" entre los que conmuta, permaneciendo en cada uno de ellos un tiempo determinado. La frecuencia de conmutación depende, en general, de la carga y descarga de condensadores.
y como multivibrador monoestable. Puede
también configurarse para generar formas de onda tipo Rampa.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
24
1.4.1.1Multivibrador Astable
Esq. 2 De La Aplicación De Multivibrador Astable 555
Su funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido.
La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos depende de los valores de R1, R2 y C, según las formulas:
[segundos] Formula. 1
Formula 1.1
[segundos] Formula 2
Formula 2.1
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
25
La frecuencia con que la señal de salida oscila:
+
Formula 3
El período es simplemente:
Formula 4
Con frecuencia variable, debemos variar la capacidad de condensador, ya que si el cambio lo
hacemos mediante los resistores R1 y/o R2, también cambia el ciclo de trabajo o ancho de
pulso (D) de la señal de salida según la siguiente expresión:
Formula 5
Recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb -
Ta).
Si se requiere una señal cuadrada donde el ciclo de trabajo D sea del 50%, es decir que el
tiempo t1 sea igual al tiempo t2, es necesario añadir un diodo en paralelo con R2. Ya que las
fórmulas, para hacer t1 = t2 sería necesario que R1 fuera cero, lo cual en la práctica no
funcionaría.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
26
1.5 Sensor HMZ433A1
Algunas de las características del sensor son:
Es económico
Entrega una salida lineal de voltaje para la lectura de humedad que va de 0 a 3.3 volts
Tiene un termistor integrado del tipo NTC para medir la temperatura
Tamaño reducido
Se alimenta con 5 voltios
Bajo consumo de corriente
Imagen. 1 Del sensor HMZ433A1
1.5.1 Termistor
Un Termistor (es un resistor sensible a la temperatura). La palabra que mejor describe a los
termistores es la sensibilidad. El termistor exhibe gran cambio en el parámetro resistencia en
función de pequeños cambios de temperatura. Los termistores están generalmente
compuestos de materiales semiconductores y existen básicamente dos tipos: los de coeficiente
negativo de temperatura (NTC) y los de coeficiente positivo de temperatura (PTC). Los
primeros son los más usados y disminuyen su resistencia con el incremento de temperatura.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
27
Humedad relativa La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima
humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas
condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la
humedad ambiental. Se expresa en tanto por ciento. %
Formula. 6
Donde
Es la presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire;
Es la presión de saturación de vapor de agua a la temperatura en la mezcla de aire;
y
Es la humedad relativa de la mezcla de aire que se está considerando.
La importancia de esta manera de expresar la humedad ambiente estriba en que refleja muy
adecuadamente la capacidad del aire de admitir más o menos vapor de agua, lo que, en
términos de comodidad ambiental para las personas, expresa la capacidad de evaporar la
transpiración, importante regulador de la temperatura del cuerpo humano.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
28
1.6 ARDUINO UNO
Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en
software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados
y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos.
Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una
gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y otros
actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de
programación Arduino (basasdo en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en
Processing). Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a
un ordenador, si bien tienen la posibilidad de hacerlo y comunicar con diferentes tipos de
software (p.ej. Flash, Processing, MaxMSP).
Las placas pueden ser hechas a mano o compradas montadas de fábrica; el software puede
ser descargado de forma gratuita. Los ficheros de diseño de referencia (CAD) están disponibles
bajo una licencia abierta, se es libre para adaptarlo a cual quier nesecidad.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
29
1.7 Control Sistema de Lazo cerrado
Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control de lazo
cerrado. En la práctica, los términos control realimentado y control en lazo cerrado se usan
indistintamente.
En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de
actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida de realimentación (que
puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o
integrales) a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El
término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentando
para reducir el error del sistema.
Esquema 3 control sistema de lazo cerrado
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
30
Capitulo 2. Desarrollo.
2.1 Problema a solucionar.
Creación del diseño de un dispositivo ultrasónico controlado para el uso de la Aeroponía
Diag. 1 De mi Dispositivo Ultrasónico Controlado
El sistema contiene una tarjeta de adquisición la cual nos proporcionará el control de nuestro sistema, el cual se basa principalmente en la detección de datos como humedad y temperatura, para nuestro caso necesitamos rigurosamente tener una humedad entre el 60 - 80% y una temperatura de 14 - 18° centígrados, dependiendo de los valores detectados por el sensor, la tarjeta de adquisición de datos determinará si el sistema del dispositivo ultrasónico y ventilador necesita estar encendido o apagado.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
31
2.2 Diseño Dispositivo Ultrasónico
2.2.1 Principio De Funcionamiento
La onda ultrasónica es generada con un transductor piezoeléctrico. Se determina la frecuencia
de resonancia, la distancia entre dos resonancias sucesivas corresponde a media longitud de
onda, λ.
2.2.2 Características Del Diseño
El transductor ultrasónico debe tener resonancias naturales de máxima eficiencia en las
bandas de altas frecuencias de interés. Para ello, se seleccionó un transductor, de una
frecuencia de resonancia determinada por un barrido de frecuencias del orden de 1 a 3 MHz.
El amplio rango de frecuencias es útil para estudiar eventuales efectos tales como cavitación y
dispersión.
En particular, el transductor piezoeléctrico es un disco con un radio de aproximadamente
15mm. El ensamble del transductor con la celda es uno de los aspectos críticos para garantizar
la eficiencia y directividad de la radiación ultrasónica, y preservar la nebulización del líquido
contenido. El valor de la frecuencia para hacer nebulizar el agua es de 1,7 MHz
El sistema funcionará automáticamente con ayuda de la tarjeta de adquisición de datos y el
sensor de humedad y temperatura, el cual será programado para que encienda el sistema en
un determinado lapso de tiempo, activando en primer instancia el circuito generador de pulsos
el cual producirá la frecuencia de 1.7 MHz necesaria para que el transductor piezo-eléctrico sea
el encargado de nebulizar la solución nutritiva y alimentar de esta manera a los cultivos que se
tengan disponibles.
Un oscilador 555 es la base del circuito, y la frecuencia se calcula mediante la fórmula:
f = 1.44 / (R1 + 2R2) C Formula 7
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
32
Para obtener el valor del capacitor que nos genere la frecuencia de 1.7MHz despejamos de la
siguiente manera:
C= 1.44 / (R1 + 2R2) f………..3.2
Sustituyendo valores:
C= 1.44 / (22KΩ + 2(22KΩ)) 1.7MHz Formula 7.1
C = 12.83 pF
Al sustituir el valor del capacitor de 12.83pF en la fórmula se obtiene el valor de frecuencia de
1.7MHz.
La salida de este integrado será conectada a una etapa de potencia formada por un transmisor
de potencia TIP41.
Con una alimentación de 24V obtenemos una corriente de 1,200mA en el transmisor, que
corresponde a una potencia consumida de 20W aprox.
El circuito completo del generador se muestra en la Fig. 9. En la Tabla 2 se encuentran los
componentes electicos que se utilizan en la construcción del dispositivo ultrasónico. En la Fig.
10 aparece la pequeña placa de circuito impreso.
Tabla 2. Componentes Electrónicos.
Componentes Electrónicos
R1 22KΩ
R2 22KΩ
R3 1KΩ
C1 12.83 pF o comercial
0.1uf, 15pF
PT Piezoeléctrico
CI 555
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
33
Fig.7 Circuito Generador
Fig. 8 Placa del circuito impreso.
Con ayuda del generador de ultrasonido se enfocara la potencia de la señal al recipiente que
contiene la solución nutritiva, para que se logre el fenómeno de nebulización y conducir está
“nube” hacia donde se localizan las hortalizas de raíz flotante.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
34
2.3 Elementos del diseño
2.3.1 Macronutrientes.
Una Solución Nutritiva ideal para preparar hasta 1000 litros con la cual nutriremos a nuestras
hortalizas.
Fig.9 Solución Nutritiva.
Como su nombre lo indican estos son requeridos en mayor proporción por las plantas:
A) Nitrógeno
Fig. A) Nitrógeno
Promueve rápido crecimiento vegetativo. Permite que las plantas realicen de le mejor manera
la fotosíntesis, y que fabriquen proteínas, hormonas, vitaminas y enzimas.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
35
B) Fósforo
Fig. B) Ácido Fosfórico.
Su papel más relevante lo tiene en las etapas de enraizamiento y floración. Es muy necesario
para la formación de semillas dentro del fruto, por lo tanto las hortalizas que desarrollan fruto,
demandan más este elemento.
C) Potasio
Fig. C) Sulfato de Potasio o el Nitrato de Potasio
El potasio juega un papel muy importante en la formación, crecimiento y desarrollo de las
raíces y tubérculos. Este elemento lo proporciona el Sulfato de Potasio o el Nitrato de Potasio,
este último tiene la ventaja que es rápidamente absorbido y asimilado en grandes cantidades
por la planta y no deja residuos en el suelo como en el caso de los sulfatos o cloruros.
D) Calcio
Fig. D) Nitrato de calcio
El suministro de calcio es sumamente indispensable en la fase de crecimiento ya que se
requiere para la formación de nuevas células.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
36
E) Magnesio
Fig. E) Sulfato de magnesio
Ayuda a la formación y crecimiento de las hojas.
F) Azufre
Éstá presente en toda la planta e interviene en la formación de proteínas, aminoácidos,
enzimas y vitaminas.
Este elemento ya está presente dentro de los "Sulfatos", como el Sulfato de Potasio y el Sulfato
de Magnesio, por lo que no es necesario adicionarlo de manera independiente a la formulación
si ya se está trabajando con los sulfatos necesarios.
2.3.2 Micronutrientes Como su nombre lo indica, son nutrientes que requieren las plantas en proporciones
considerablemente menores a los Macronutrientes.
A) Boro
Fig. A) Ácido Bórico.
Es indispensable para la fijación de nitrógeno y para que el floema (conducto por donde la
planta trasporta los nutrientes) cumpla su función. Influye en las 16 funciones de la planta,
entre ellas la floración, la germinación del polen y el crecimiento de los frutos.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
37
B) Cobre
Fig. B) Sulfato de cobre
Este elemento actúa como vehículo para el oxígeno, ayudando a la respiración de las plantas.
Este elemento te lo proporcionan sales como el Sulfato de cobre.
C) Hierro
Fig. C) Sulfato ferroso
Sin hierro no se produce clorofila; por lo que su acción resulta imprescindible para el desarrollo
del follaje. El elemento lo proporcionan sales como el Sulfato Ferroso.
D) Magnesio
Fig. D) Sulfato de Manganeso.
Ayuda a las semillas a formar carbohidratos en la germinación. El elemento lo proporcionan
sales como el Sulfato de Manganeso.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
38
E) Zinc
Fig. E) Sulfato de Zinc
Permite la fijación del nitrógeno en la planta, y forma parte de sus enzimas y hormonas:
El elemento lo proporcionan sales como el Sulfato de Zinc.
2.3.3 Semillero
Fig.10 Semillero
Un Semillero o Germinador con capacidad para Germinar hasta 200 plántulas.
2.3.4 Fibra de coco
Fig. 11 Fibra de coco para germinar o peat moss agrolita
Una bolsa con 250 gramos de fibra de coco que servirá como sustrato para germinar nuestras
hortalizas. Sirve para germinar las semillas en la primera etapa de desarrollo de la Aeroponía.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
39
2.3.5 Semilla de lechuga romana
Fig.12 Semilla de lechuga romana
Un paquete de aproximadamente 500 semillas de lechuga Romana, especie ideal para
cultivarse bajo este sistema.
2.3.6 Canastilla
Fig.13 Canastilla
3 canastillas para Raíz Flotante, las cuales están diseñadas para sostener las hortalizas en el
sistema.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
40
2.4 Control del dispositivo ultrasónico basado en temperatura
y humedad.
2.4.1Problema de control de humedad y temperatura
Verificar el rango que vamos a utilizar para la producción de hortalizas y fijarlo para que nuestro
dispositivo encienda y apague cuando está dentro y fuera de este rango adecuado.
Imagen 2 Del Sensor De Humedad Y Temperatura HMZ- 433 A1
2.4.2 Cómo lo vamos a desarrollar
Con la implementación de ultrasonido con una frecuencia de 1.7Mhz para que con esta
frecuencia haga nebulizar el agua y tengamos irrigadas nuestras hortalizas.
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
41
2.5 Programa de control
Con una tarjeta de adquisición de datos ARDUINO UNO, Sensor De Humedad Y Temperatura HMZ- 433 A1 y un ventilador iniciamos la programación, para el control del dispositivo ultrasónico.
float pinTemperatura = 3;
float pinHumedad = 2;
float tempValor ;
float humValor ;
int ledPin=13;
int Pin=12;
void setup()
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(Pin, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
void loop()
tempValor = ( 5.0 * analogRead(pinTemperatura) * 100.0) / 1024.0;
humValor = ( 1.4 * analogRead(pinHumedad) * 100.0) / 1024.0;
if (humValor<78)
digitalWrite(ledPin, HIGH);
digitalWrite(Pin, LOW);
else
digitalWrite(ledPin, LOW);
digitalWrite(Pin, HIGH);
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
42
Serial.print("Temperatura (Celsius) = ");Serial.println(tempValor);
Serial.print("Humedad (%) = ");Serial.println(humValor);
delay (1000);
2.5.1 Explicación del programa.
Pin 2 humedad
Pin 3 temperatura
Utilizaremos el pin 2 y 3, les pondremos un nombre de lectura tipo float.
float pinTemperatura = 3;
float pinHumedad = 2;
Variable float donde guardaremos la humedad y la temperatura respectivamente.
float tempValor ;
float humValor ;
Declaramos el pin 13 como salida la cual ocuparé para habilitar un relevador que a
su vez encenderá y apagara el dispositivo ultrasónico.
Y el pin 12 del ARDUINO UNO estará configurado como salida para habilitar un
ventilador el cual encenderá cuando el dispositivo ultrasónico este apagado y
apagara cuando el dispositivo ultrasónico este encendido.
int ledPin=13; int Pin=12;
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(Pin, OUTPUT);
Iniciamos el puerto serie para poder monitorizar.
Serial.begin(9600);
Función para repetir el contenido indefinidamente.
void loop()
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
43
tempValor = ( 5.0 * analogRead(pinTemperatura) * 100.0) / 1024.0;
humValor = ( 1.4 * analogRead(pinHumedad) * 100.0) / 1024.0;
if (humValor<78)
digitalWrite(ledPin, HIGH);
digitalWrite(Pin, LOW);
else
digitalWrite(ledPin, LOW);
digitalWrite(Pin, HIGH);
Serial.print("Temperatura (Celsius) = ");Serial.println(tempValor);
Serial.print("Humedad (%) = ");Serial.println(humValor);
delay (1000);
Transformación de la lectura analógica de tensión en temperatura.
tempValor = ( 5.0 * analogRead(pinTemperatura) * 100.0) / 1024.0;
humValor = ( 1.4 * analogRead(pinHumedad) * 100.0) / 1024.0;
Donde:
5 y 1.4 Valor analógico de tensión.
Analog read = lectura analógica de tensión.
100.0= Resolución de lectura en microsegundos.
1024.0 = 210, valor binario de 10 dígitos binarios.
El grado de humedad tiene que estar en un rango de 60 - 80 % de humedad, en el
proyecto se utilizó un porcentaje controlado de 78% y es factible para el cultivo.
El sistema básicamente enciende desde cero hasta que llega al 78% de humedad y
cuando supera este rango se apaga el sistema. Pero se enciende en el pin 12 al
ventilador para que este disperse la humedad y cuando el sistema baja del 78% de
humedad vuelve a encender para mantener estable el sistema.
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if (humValor<78)
digitalWrite(ledPin, HIGH);
digitalWrite(Pin, LOW);
else
digitalWrite(ledPin, LOW);
digitalWrite(Pin, HIGH);
Imprimir el valor del puerto serie donde podremos monitorearlo.
Serial.print("Temperatura (Celsius) = ");Serial.println(tempValor);
Serial.print("Humedad (%) = ");Serial.println(humValor);
Espera de 1s para cada lectura de temperatura.
delay (1000);
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Capitulo 3. Pruebas y Resultados.
3.1 Desempeño del dispositivo ultrasónico.
Especificación
• Resonancia de frecuencia 1.7MHz ~ 3.0MHz • Gama de energía 2,5 W ~ 20W • Salida de Niebla (caudal) de 10 ml / h ~ 400 ml / h • El tamaño de gota (diámetro) 2 micras ~ 4 micras, • Curso De La Vida 10.000 H Del Dispositivo Ultrasónico
Esq.4 Dispositivo ultrasónico
El dispositivo ultrasónico genera una frecuencia de 1.7 MHz, dicha frecuencia es la que se
necesita para nebulizar el agua, no se puede utilizar un rango menor a 1 MHz debido a que no
se logra el efecto de nebulización en el agua y no se podría alimentar al sistema.
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3.1.1 Primeras pruebas del dispositivo ultrasónico antes de que fuera
encapsulado.
Imagen 3 Dispositivo ultrasónico sin encapsular
En la imagen se muestra el dispositivo ultrasónico que consta de un piezo eléctrico, el cual
genera una frecuencia de 1.7MHz la cual provoca que el agua tenga una reacción de
nebulización como se muestra en las siguientes imágenes.
Imagen 4 Dispositivo ultrasónico iniciando la reacción de compresión
Cuando se enciende el dispositivo ultrasónico, el piezoeléctrico se comprime y se expande
produciendo un choque de moléculas de hidrogeno con oxígeno haciendo el efecto de la
nebulización.
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Imagen. 5 Dispositivo ultrasónico encendido
Efecto que produce el dispositivo ultrasónico, con el cual deseamos irrigar y llevar el control
adecuado para nuestras hortalizas.
3.1.2 Prueba del dispositivo ultrasónico encapsulado
Imagen 6. Dispositivo ultrasónico encapsulado.
Prueba del dispositivo ultrasónico encapsulado sumergido en agua para crear un ambiente
aéreo.
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Imagen 7. Dispositivo ultrasónico encapsulado encendido
Prueba del dispositivo ultrasónico encapsulado creando un ambiente aéreo para la irrigación de las plantas
3.1.3 Prueba del control de humedad y temperatura
Imagen. 8 Potenciómetro 50kΩ y capacitor 0.1µ
El capacitor va conectado al pin 2 para el uso de la humedad y el potenciómetro va conectado al pin 3 para el uso de la temperatura
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Imagen.9 Tarjeta de adquisición de datos con sensor de humedad y temperatura
Primera prueba en detección y humedad y temperatura al mismo tiempo.
3.1.4 Explicación del control
Diag. 2 Del funcionamiento de un control automático
El sistema de medición consta del rango de temperatura y humedad que tenemos en el
dispositivo, que censa y pasa el dato al sistema de control, el cual se encarga de calcular si es
correcto el valor y en consecuencia encender o apagar nuestro dispositivo.
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3.1.5 Medición de Temperatura y Humedad
Imagen.10 Temperatura y humedad
Valores correctos que nos muestra el control del dispositivo ultrasónico, adecuados para la irrigación de las hortalizas.
Imagen.11 De medidor de humedad analógico
Este medidor de humedad, fue utilizado como parámetro para calibrar mi sensor de humedad.
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3.1.6 Medición de Propagación del Sonido en el Agua
• Resonancia de frecuencia 1.7MHz ~ 3.0MHz a esta frecuencia logré nebulizar el agua.
Imagen.12 De nebulización del agua
En esta imagen observamos comó se nebuliza el agua a 1.7MHz
3.1.7 Retroalimentación del Consumo del Agua
La retroalimentación del consumo de agua se realizara por gravedad, en cuanto el sistema se
apague la gravedad va a hacer que los nutrientes regresen al dispositivo ultrasónico y así
iniciar nuevamente el procedimiento.
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3.1.8 Tiempo de Cosecha de la Lechuga
En el proceso de hidroponía una cosecha de hortalizas como la lechuga puede tomar unos 40
días; mediante la Aeroponía este periodo se reduce a solo 28 días. Así se pueden obtener
hasta 13 cosechas por año.
Imagen.13 Semillero con fibra de coco
Proceso para germinar lechugas en semillero con fibra de coco y primeros nutrientes para el
uso de aeroponía.
Imagen 14 lechugas en pocos días
Primeros días de germinación de las lechugas.
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Imagen.15 Lechuga en proceso final
Observamos satisfactoriamente la producción de una hortaliza a base del dispositivo
ultrasónico controlado por la humedad y la temperatura.
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CONCLUSION
El proyecto desarrollado, tiene como fin primordial, el poner los conocimientos de Ingeniería al
servicio de la comunidad agrícola, que ha sufrido como ningún otro sector, los embates del
cambio climático, traduciéndose en desforestación de las aéreas antes de cultivo y que hoy día
sufren por la ausencia de agua. El proyecto tiene como fin lograr un crecimiento mayor y en
menor tiempo de cualquier producto, llámese hortaliza, fruto o vegetal, lograr esto traerá como
resultado beneficios tanto ecológicos como económicos.
Se creo un prototipo que aunado a los principios de la aeroponía nos permitan optimizar todos
los recursos, tanto naturales como de ingeniería, para así hacer frente a los difíciles tiempos
actuales.
Los resultados que arrojaron los cálculos matemáticos nos dan la seguridad de que el proyecto
tiene viabilidad, para su utilización en cualquier escala y en cualquier tipo de terreno, obvio es
decir que con cualquier producto. El prototipo creado nos da la satisfacción de saber que la
ingeniería y los procesos ultrasónicos deben producir mejores condiciones de vida para los
agricultores, así como mayores dividendos económicos. De igual forma la racionalización de
los recursos naturales
En el caso que nos ocupa, se utilizo una hortaliza (lechuga) que tal como se comprobó
responde, en un alto porcentaje a la utilización de los principios de la aeroponía, controlados
por dispositivos electrónicos de tecnología de punta.
Se implementó un dispositivo ultrasónico, que con la frecuencia adecuada logro nebulizar el
agua, a base de transductores piezo eléctricos de cuarzo, el valor especifico encontrado para
la nebulización, es de 1.7 MHz Con este proceso se logra la irrigación de las plantas, así como
el suministro de nutrientes, por medio de la nube generada, al contacto de las ondas
ultrasónicas con el agua, como es el proceso tradicional de la Aeroponía.
Con el control de humedad y temperatura a base de un sensor, se implemento el tiempo de
encendido y apagado del dispositivo ultrasónico a través de la tarjeta de adquisición de datos
Arduino UNO, para que este tuviera una buena respuesta en la irrigación de las hortalizas y un
ahorro de agua del 90% comparado con un cultivo hidropónico, logrando un mejor monitoreo y
mayor control, para un buen rendimiento del dispositivo ultrasónico.
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BIBLIOGRAFIA
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Springer-Verlag, V. XI /2 , pp. 74 -152 (1962).
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Th ed, (1996).
[5] Sette, D., “Dispersion and Absorption of Sound Waves in Liquids and Mixtures of Liquids”, en Flügge, S. (ed.), “Handbuch der
Physik: Akustik I”, Springer-Verlag, V. XI/1 , pp. 275 – 359 (1961).
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Temperature [J. Acoust. Soc. Am. 93, 1609-1612, (1993)]”, J. Acoust. Soc. Am. 99(5), p 3257. Citado en ”Underwater
Acoustics: Technical Guide – Speed of Sound in Pure Water”, National Physical Laboratory, UK, 2000.
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st ed., Cap. 6, pp. 284-289, (2005)
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REFERENCIAS
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http://www.tecnociencia.es/especiales/cultivos_hidroponicos/10.htm
http://www.foros/cultivo-aeroponico-f20/aeroponico-ultrasonico-t57433.html
http://www.webelectronica.com.ar/news05/news05/nota08.htm
http://www.lpi.tel.uva.es
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ULTRASÓNICO PARA EL USO DE AEROPONÍA.
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APÉNDICE
Lista de Precios
Cantidad Unidades Producto Precio
1 Gramo Gramo de Semilla Lechuga Simpson $7.50
1 Pieza Semillero de 98 Cavidades Redondas $22.00
250 Gramos Bolsa de 250 Gramos de Fibra de Coco 80-20 para
germinación $14.00
0.5 Metro Tubo de PVC de 1. m de largo y 4 pulgadas de diámetro $38.00
2 Tapas Tapas para el Tubo PVC $15.00
2 Coples Coples para el Tubo de PVC $9.00
1.5 Kilogramos Kilogramo de Solución Nutritiva para Hortalizas $129.00
10 Piezas Bolsas para cultivo de 35*35 $21.30
10 Piezas Vaso o Canastilla para raíz flotante $32.90
1 Litros Costal de 100 Lts de mezcla de Sustrato
30% Agrolita, 30% Vermiculita, 40% Peat moss + 6Kg/m3 fertilizante de liberación contralada
$199.95
2 Piezas Resistencias de 22 kΩ $1.00
1 Pieza Resistencias de 1 kΩ $1.00
1 Pieza Capacitor variable 15pF $25.00
1 Pieza Circuito integrado 555 $9.00
1 Pieza Transductor piezo eléctrico $300.00
1 Pieza Tarjeta de adquisición de datos Arduino uno $540.00
1 Pieza Sensor de humedad y temperatura hmz- 433 $150.00
2 Pieza Relevadores $22.00
1 Pieza Ventilador $45.00
Total $1581.65
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ANEXOS
Arduino UNO
Figura parte frontal de la tarjeta de adquisición de datos ARDUINO UNO
Figura parte posterior de la tarjeta de adquisición de datos ARDUINO UNO
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V is ión de conjun to
Arduino Uno es una placa electronica basada en el ATmega328. Cuenta con 14 entradas / salidas digitales pines (de las cuales 6 se puede utilizar como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un oscilador de cristal de 16 MHz , una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reset. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador, basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o el poder con un adaptador de CA a CC o batería para empezar. El Uno se diferencia de todas las juntas anteriores en que no utiliza el chip controlador FTDI USB-to-serial. En su lugar, ofrece la Atmega16U2 ( Atmega8U2 hasta R2 versión) programado como un convertidor de USB a serie. Uno de la placa tiene una resistencia de tracción de la línea de HWB 8U2 a tierra, por lo que es más fácil de poner en modo DFU . De la junta directiva tiene las siguientes características nuevas:
• 1,0 pinout: añadido pines SDA y SCL que están cerca de la pin AREF y dos pasadores de otros nuevos colocados cerca de la pin RESET, el IOREF permitir que los escudos de adaptarse a la tensión suministrada desde la tarjeta. En el futuro, los escudos serán compatibles tanto con la tarjeta que utilice el AVR, que operan con 5V y con el Arduino Debido que operan con 3.3V. El segundo es un pasador no conectado, que está reservado para usos futuros.
• REINICIAR Stronger circuito. • Atmega 16U2 reemplazar el 8U2.
"Uno" significa uno en italiano y se nombra para conmemorar el próximo lanzamiento de Arduino 1.0. El Uno y la versión 1.0 será la versión de referencia de Arduino, moviéndose hacia adelante. El Uno es el último de una serie de placas Arduino USB y el modelo de referencia para la plataforma Arduino, Microcontroladores ATmega328
Tensión de funcionamiento 5V
Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V
Voltaje de entrada (limites) 6-20V
Digital I / O Pins 14 (de los cuales 6 proporcionan salida PWM)
Pines de entrada analógica 6
Corriente por I DC / O Pin 40 mA
Corriente DC por Pin 3.3V 50 mA
Memoria Flash 32 KB ( ATmega328 ) de los cuales 0,5 KB utilizado por gestor de arranque
SRAM 2 KB ( ATmega328 )
EEPROM 1 KB ( ATmega328 )
Velocidad del reloj 16 MHz
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Poder
El Uno Arduino puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa. La fuente de alimentación se selecciona automáticamente. Externa (no USB) de potencia puede venir con un adaptador de corriente alterna a corriente continua (pared-verruga) o la batería. El adaptador se puede conectar al conectar un centro de 2.1mm-positivo clavija en jack de alimentación de la placa. Conduce de una batería se pueden insertar en los encabezados de pines Gnd y Vin del conector de alimentación. La junta puede operar en un suministro externo de 6 a 20 voltios. Si se proporcionan menos de 7V, sin embargo, el pin de 5V puede proporcionar menos de cinco voltios y el tablero puede ser inestable. Si se utiliza más de 12V, el regulador de voltaje se puede sobrecalentar y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12 voltios. Los pines de alimentación son como sigue:
• VIN. La tensión de entrada a la placa Arduino cuando se utiliza una fuente de alimentación externa (en lugar de 5 voltios de la conexión USB o de otra fuente de alimentación regulada). Se puede suministrar tensión a través de esta clavija, o, si el suministro de tensión a través de la toma de poder, acceder a él a través de esta clavija.
• 5V. Este pin como salida una 5V regulada por el regulador en el tablero. La junta se puede suministrar corriente, ya sea a partir de la entrada de alimentación (7 - 12 V), el conector USB (5V), o el pasador de VIN de la junta (7-12V). El suministro de tensión a través de los pines de 5V o 3.3V no pasa por el regulador, y puede dañar la placa. No se lo aconsejo.
• 3V3. Una tensión de alimentación 3,3 generado por el regulador de a bordo. Consumo de corriente máxima es de 50 mA.
• GND. pins de tierra.
M emor ia
El ATmega328 tiene 32 KB (con 0,5 KB utilizado para el gestor de arranque). También tiene 2 KB de SRAM y 1 KB de memoria EEPROM.
Ent rada y sa l ida
Cada uno de los 14 pins digitales en el Uno se puede usar como una entrada o salida, utilizando pinMode, digitalWrite, y digitalRead funciones. Funcionan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una interna de pull-up resistor (desconectada por defecto) de 20-50 kOhms. Además, algunos pines tienen funciones especializadas:
• Serie:. 0 (RX) y 1 (TX) Se utiliza para recibir (RX) y transmitir (TX) datos serie TTL. Estos pines están conectados a los pines correspondientes del ATmega8U2 USB-to-Serial TTL chips.
• Las interrupciones externas:. 2 y 3 Estos pines pueden ser configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o un cambio en el valor.
• PWM:. 3, 5, 6, 9, 10, y 11 Proporcionar 8-bit de salida PWM con la analogWrite () función. • SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos apoyo pins comunicación SPI utilizando la biblioteca
de SPI . • LED: 13. Hay un built-in LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin es de alto valor, el LED está
encendido, cuando el pasador es bajo, es apagado. El Uno tiene 6 entradas analógicas, con la etiqueta A0 a A5, cada uno de los cuales proporcionan 10 bits de resolución (es decir, 1024 valores diferentes). Por defecto se mide desde el suelo a 5 voltios, aunque es posible cambiar el extremo superior de su rango usando el pin AREF y la analogReference la función. Además, algunos pines tienen funciones especializadas:
• TWI: A4 o A5 y SDA pin o pines SCL. Apoyo TWI comunicación con la biblioteca de alambre . Hay un par de otros pines en la pizarra:
• AREF. Tensión de referencia para las entradas analógicas. Se utiliza con analogReference).
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61
• Restablecer. Traiga esta línea LOW para reiniciar el microcontrolador. Normalmente se utiliza para agregar un botón de reinicio a los escudos que bloquean el uno en el tablero.
Comunicac ión
Arduino Uno tiene un número de instalaciones para la comunicación con un ordenador, Arduino uno, u otros microcontroladores. El ATmega328 ofrece UART TTL (5V) de comunicación serial, que está disponible en los pines digitales 0 (RX) y 1 (TX). Un ATmega16U2 en los canales de mesa esta comunicación serie a través de USB y aparece como un puerto COM virtual con el software en el ordenador. El firmware '16U2 utiliza los controladores estándar USB COM, y no hay ningún controlador externo es necesario. Sin embargo, en Windows, un archivo. inf se requiere . El software de Arduino incluye un monitor de serie que permite simples datos de texto que se envían desde y hacia la placa Arduino. El RX y TX LED en el tablero parpadea cuando los datos se transmiten a través del chip USB a serie y la conexión USB al ordenador (pero no para la comunicación en serie en los pines 0 y 1). Una biblioteca SoftwareSerial permite la comunicación serial en cualquiera de los pines digitales de la UNO. El ATmega328 también es compatible con I2C comunicación (TWI) y SPI. El software de Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso del I2C bus.
Programac ión
Arduino Uno se puede programar con el software Arduino. Seleccione "Arduino Uno de los Herramientas> Panel de menú (de acuerdo con el microcontrolador en la placa). El ATmega328 en la Arduino Uno viene preburned con un gestor de arranque que le permite cargar nuevo código a la misma sin el uso de un programador de hardware externo. Se comunica con el original STK500 protocolo ( de referencia ,archivos de cabecera C ). También puede pasar por alto el gestor de arranque y programar el microcontrolador a través del ICSP (programación In-Circuit Serial). El ATmega16U2 (8U2 o en los tableros de REV1 y REV2) Código fuente del firmware disponible. El ATmega16U2 / 8U2 se carga con un cargador de arranque DFU, que puede ser activado por:
• En Rev1 juntas: conectar el puente de soldadura en la parte posterior de la tarjeta (próximo el mapa de Italia) y luego reiniciar el 8U2.
• En Rev2 o placas posteriores: hay una resistencia que tirar de la línea 8U2/16U2 HWB a tierra, por lo que es más fácil de poner en modo DFU.
Automát ico (So f tw are ) Rese t
En lugar de requerir una prensa física del botón de reposición antes de una carga, el Arduino Uno está diseñado de una manera que permite que se restablezca por software que se ejecuta en un ordenador conectado. Una de las líneas de control de flujo por hardware (DTR) de la ATmega8U2 / 16U2 está conectado a la línea de reposición de la ATmega328mediante un condensador de 100 nanofaradios. Cuando esta línea se afirma (tomado bajo), la línea de restablecimiento pasa el tiempo suficiente para restablecer el chip. El software de Arduino utiliza esta capacidad que le permite cargar el código con sólo pulsar el botón de subida en el entorno Arduino. Esto significa que el gestor de arranque puede tener un tiempo de espera más corto, como la disminución de DTR puede estar bien coordinada con el inicio de la carga. Esta configuración tiene otras implicaciones. Cuando el Uno se conecta a un ordenador con Mac OS X o Linux, se restablece cada vez que se realiza una conexión a la misma desde el software (a través de USB). Para el siguiente medio segundo o así, el gestor de arranque se ejecuta en la ONU. Mientras que está programado para ignorar datos mal (es decir, nada, además de una carga de nuevo código), se interceptan los primeros bytes de datos enviados a la junta después de abrir una conexión. Si un esquema que se ejecuta en la placa recibe una sola configuración o de otros datos cuando se inicia por primera vez, asegurarse de que el software con el que se comunica espera un segundo después de abrir la conexión y antes de enviar los datos.
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El Uno contiene una traza que se puede cortar para desactivar el auto-reset. Las almohadillas a ambos lados de la traza se pueden soldar juntos para volver a habilitarla. Ha marcado "RESET-ES". También puede ser capaz de desactivar el reinicio automático mediante la conexión de una resistencia de 110 ohm de 5V a la línea de reset.
USB Pro tecc ión cont ra sobrecor r ien te
Arduino Uno tiene un Polyfuse reseteable que protege los puertos USB de tu ordenador de cortocircuitos y sobrecorrientes. Aunque la mayoría de las computadoras ofrecen su protección interna, el fusible proporciona una capa adicional de protección. Si hay más de 500 mA se aplica al puerto USB, el fusible automáticamente romper la conexión hasta que el cortocircuito o una sobrecarga se retira.
Carac te r ís t icas f ís icas
La longitud máxima y la anchura del PCB Uno son 2,7 y 2,1 pulgadas, respectivamente, con el conector USB y el conector eléctrico que se extiende más allá de la dimensión anterior. Cuatro agujeros de tornillo permiten la junta que se une a una superficie o caso. Tenga en cuenta que la distancia entre los pines digitales 7 y 8 es de 160 milésimas de pulgada (0,16 "), no un múltiplo de la separación de 100 milésimas de pulgada de los otros pasadores.
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Sensor de humedad hmz-433 a1
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Circuito integrado 555
Descripcion de sus terminales
Pines del 555.
GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra.
Disparo (normalmente la 2): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de
retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando
este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de
corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto
hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya
sea que esté conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el
voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar
a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset (normalmente la 4).
Reset (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de
salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc
para evitar que el 555 se "resetee".
Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de
controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica
como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos
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en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por los
resistores y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la
patilla de control de voltaje puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración
monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7
voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará
la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se
utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01μF para evitar las interferencias.
Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se
utiliza para poner la salida a nivel bajo.
Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador
externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
V+ (normalmente la 8): También llamado Vcc, alimentación, es el pin donde se conecta el
voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo). Hay versiones
militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.
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70
Transistor TIP 41