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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
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
Noviembre de 2016
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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
Noviembre de 2016
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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
Noviembre de 2016
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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
investigaciones realizadas (entre ellas por la Universidad politécnica de
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,
directividad, espectro.
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
profesional y generaron una experiencia memorable en nuestras vidas.
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
TEGNOLOGIA LED y OLED DE ALTA POTENCIA ............................................................. 27
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
Indice de Tablas ......................................................................................................................... 76
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
pobre para el cultivo de las plantas. Actualmente estas lámparas se distribuyen de
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
cultivos rotativos con un mismo sistema de iluminación.
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
agricultura, teniendo en cuenta que desde hace algunos años empresas en
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
generar una interfaz amigable con el usuario.
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.
● Diseñar e implementar etapa de potencia y control
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
intervienen en la fotosíntesis relacionados con la variable lumínica.
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)
Tabla 1. Caracterización de parámetros que intervienen en la fotosíntesis relacionados con la variable lumínica.
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.
(3)
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
Tabla 3 Cuadro comparativo de iluminancias. (Harper, 2004)
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.
En la figura se observa la composición de color RGB, HSL, HSV
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
presenta mayor estimulo frente a tonos del azul y el rojo. Las longitudes de onda
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
específicos que aceleran el crecimiento. Su investigación prácticamente descarta
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
especificados.
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
manera detallada la tecnología LED y OLED de alta potencia.
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
General Electric, Iwasaki, Lumenar, Osram/Silvana, Philips y Venture (Sun Master)
ALGUNOS FABRICANTES
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
NE
RA
LID
AD
ES
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
Tienen un mayor costo que los reflectores verticales.
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 acercando más las bombillas a las plantas.
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 van desde el 65% para los fluorescentes, hasta más del 80% para
halógenas e incandescentes y el 50% en las de bajo consumo.
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
entre el flujo luminoso de una fuente de luz y la potencia consumida en vatios. (lumen /W)
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 las condiciones ambientales necesarias para asegurar la vida útil propia del dispositivo.
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
observa en el análisis realizado a continuación
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
la familia CMOS.
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
Figura 7. Descripción arreglo de sensores lineales (Mouser Electronis, 2016)
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
misma flexibilidad en cuanto a diseño, por lo tanto se opta por el sensor TCS3200
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
que permita facilitar el manejo del dispositivo discriminando entre entradas, salidas
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 salida
0 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%
Tabla 6. Selección de filtro y escalado en frecuencia para el sensor TCS3200
36
En la figura 11 se muestran las curvas características medidas sobre el sensor
TCS3200.
Figura 11. Curvas características de medición de color sensor TCS3200 según datasheet.
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
Tabla 7. Comparación fabricantes de microcontroladores
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
Tabla 10. Comparación especificación Microcontroladores seleccionados por proveedor
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
2 conversores ADC de 12 bit cada uno con una rata máxima de muestreo de un millón de muestras por segundo
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.
Figura 12. Señales para los pines del Microcontrolador TM4C123FH6PM.
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.
Figura 14. Circuito de configuración para puerto serial.
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 microcontrolador TM4C123FH6PM tomado de http://energia.nu/Guide_StellarisLaunchPad.html
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
sensado.
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
parametros de acuerdo a lo documentado en el capitulo 2.
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
figura 20:
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.
Figura 21. Grafica de respuesta en longitud de onda para las variables R, G, B una vez restada la luminancia.
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.
Pasos para la toma de datos:
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 – TM4C123GXL
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
especializado para interfaz de usuario en el computador.
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
condiciones de ausencia total de luz, lo que garantiza calidad en las mediciones
51
En la figura 26 se muestra el grafico resultante del barrido en espectro de la luz
emitida por el LED RGB manteniendo el canal rojo encendido y los demás canales
apagados. El software además de indicarnos la longitud de onda medida, nos
muestra la tendencia del color, tornando la curva obtenida del color al cual tiende.
La irradiancia es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por
unidad de área para cualquier tipo de radiación electromagnética. Manuel
Gutiérrez, en su libro de teledetección: nociones y aplicaciones define irradiancia
como flujo o potencia de la radiación entre la superficie que recibe ese flujo. De
radiación (Gutierrez, 2006) En otras palabras es la potencia incidente por unidad
de superficie de todo tipo de radiación electromagnética, la irradiancia se mide en
vatios por metro cuadrado, tal como se observa en la figura 26.
Figura 26. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro rojo.
52
En la figura 27 se muestra medición en longitud de onda correspondiente longitud
de onda predominante en el espectro de color rojo y verde.
Figura 27. Longitud de onda en el espectro del rojo.
En la figura 28 se muestra medición en longitud de onda correspondiente al
espectro emitido por predominancia de longitud de onda roja y verde, manteniendo
el canal azul apagado.
Figura 28. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro rojo.
53
En la figura 29 se muestra medición en longitud de onda correspondiente al
espectro de color verde cuya longitud de onda nos arroja 526nm.
Figura 29. Longitud de onda en el espectro del verde.
En la figura 30 se muestra medición en longitud de onda correspondiente al
espectro emitido por predominancia de longitud de onda verde, manteniendo canal
rojo y azul apagado.
Figura 30. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro verde.
54
En la figura 31 se muestra medición en longitud de onda correspondiente longitud
de onda resultante de la combinación predominante en el espectro de color verde
y azul.
Figura 31. Longitud de onda resultante de la combinación predominante en el espectro de color verde y azul.
En la figura 32 se muestra medición en longitud de onda correspondiente al
espectro emitido por predominancia de longitud de onda verde y azul,
manteniendo canal rojo apagado.
Figura 32. . Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro Azul y verde.
55
En la figura 33 se muestra medición en longitud de onda correspondiente longitud
de onda predominante en el espectro de color azul.
Figura 33. Longitud de onda en el espectro del azul.
En la figura 34 se muestra medición en longitud de onda correspondiente al
espectro emitido por predominancia de longitud de onda verde, manteniendo canal
rojo y azul apagado.
Figura 34. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro verde.
56
CAPITULO IV
Diseñar e implementar etapa de potencia y control
El capítulo 4 se dedicara a explicar el diseño e implementación de la etapa de
potencia y control para la tecnología de iluminación LED RGB de alta potencia,
donde se seleccionó LED de 100W.
Etapa de potencia.
Se utiliza driver de corriente para el manejo de la potencia de cada uno de
los canales RGB, con el fin de obtener la longitud de onda deseada,
mediante construcción basada en porcentajes de radiación RGB.
Para el diseño del driver de potencia se tienen en cuenta los siguientes
requerimientos:
Se utiliza LED RGB de 100W de ánodo común, distribuidos en 3 canales R,
G, B; por lo tanto cada driver de debe soportar una potencia aproximada de
33w.
Cada canal maneja un voltaje y corriente umbral diferente para entregar su
máxima potencia.
Canal rojo: 24 voltios; 1.375 amperios
Canal verde: 32 voltios; 0,9375 amperios
Canal Azul: 33 voltios; 0,909 amperios
Una vez establecidos y analizados los requerimientos se procede con el desarrollo
del diseño que cumpla con las especificaciones requeridas.
Teniendo en cuenta que los umbrales de voltaje para cada canal son diferentes, y
el LED RGB de alta potencia es de Ánodo común, se decide establecer una única
fuente con suministro de alimentación igual al voltaje máximo requerido para el
canal que presenta el umbral más alto, en este caso el canal Azul (33 voltios;
0,909 amperios).
57
Adicional se debe tener presente la potencia que deben soportar los elementos y
partiendo de la relación: Potencia = voltaje*corriente se establece que la corriente
máxima que debe soportar un canal será la corriente máxima requerida por alguno
de los canales, en esta ocasión el canal rojo (24 voltios; 1.375 amperios), de ahí
se tiene que para el diseño cada canal soportara una potencia máxima= voltaje
máximo * corriente máxima. Tal como se muestra en la ecuación x
Como cada canal va a soportar 43.375W máximo, el driver compuesto de 3
canales tendrá un máximo de potencia de:
Este valor nos indica que el dispositivo está en capacidad de soportar una
potencia máxima de 136.125 vatios, es decir 36,125% de potencia por encima del
valor requerido por el LED RGB de 100W, lo que permite que los dispositivos
trabaje cómodamente, evitando temperaturas excesivas y prolongar su vida útil.
Las pérdidas generales para el diseño se generan por los elementos resistivos, la
mayor pérdida es generada por la resistencia de source, se desprecian las pérdidas
de potencia en las demás resistencias, ya que por ellas circulan corrientes de
microamperios:
Para corriente de 1amperio:
Perdidas de potencia para una corriente constante de 1A:
58
Las pérdidas de potencia por resistencia de source son de 2,02 %
Con esto se genera la búsqueda del dispositivo que cumpla las características
requeridas al menor costo, y gracias a sus características de baja impedancia y
manejo de disparo por voltaje que permite mayor velocidad de conmutación, se
decide utilizar un dispositivo de la familia MOSFET que además mantiene
temperatura constante con mayor facilidad y maneja un diodo de protección
incorporado al encapsulado que protege de la retroalimentación destructiva de
corrientes.
Conociendo estas características del dispositivo y mediante consulta a datasheet
se elige el IRF530N, en las figura se observan curva de transferencia, principales
características, encapsulado y pines de conexión.
Figura 35. Características, encapsulado, pines y curva de transferencia IRF530N.
Para dar continuidad al diseño nos apoyamos en las indicaciones base del
datashet y optamos por usar la configuracion recomendada para circuito de
59
conmutacion, junto con el grafico de respuesta en el tiempo que se observa en la
figura36. :
Figura 36. Configuración de conmutación recomendada y respuesta en el tiempo.
Una vez conocida la configuracion basica verificamos las especificaciones dadas
por el fabricante en el manual del mosfet IRF530N, lo que permita establecer
rangos de funcionamiento que eviten la destruccion del dispositivo, relacionadas
en la figura 37, donde se dan a conocer las especificaciones para mantener el
dispositivo en estado activo, especificaciones termicas para evitar destruccion por
sobre temperaturas y especificaciones para conmutacion.
Figura 37. Rango de operación para mosfet IRF530N.
60
En la figura se muestra driver de potencia para los 3 canales simulado en el
software Multisim, partiendo de los requerimientos base del diseño y ecuaciones
previamente descritas:
Figura 38. Esquema circuital de los 3 drivers de potencia para canales R, G , B, mediante software Multisim de National instruments.
En la figura 39 se detalla el driver de potencia para uno de los canales, dejando
en claro que por temas de escalabilidad se generó un diseño estándar, capaz de
soportar la potencia máxima requerida por cada uno de los canales, independiente
de sus umbrales de corriente y voltaje, donde para evitar daños en el dispositivo,
se regula el voltaje obtenido a partir del ciclo útil de cada PWM mediante software
y no mediante el hardware, de esta manera se disminuyen modificaciones de
hardware en el caso que se deseen añadir canales adicionales.
En complemento se aclara que el LED seleccionado tiene configuración de ánodo
común, lo que induce a que sus variaciones de intensidad y color se manejen
realizando conmutación sobre la tierra del sistema, por lo tanto el voltaje al cual se
conecte el ánodo siempre será constante, esta es la razón por la cual se
implementa conmutación de tierra del sistema.
61
Como se mencionó con anterioridad se hizo uso del software multasen versión 12
de nacional instrumentos para generar la simulación del driver de corriente, en la
figura 39 se muestra el esquema circuital obtenido del diseño:
Figura 39. Esquema circuital del driver de corriente estándar para los canales.
Una vez realizada la simulación se obtiene un una salida sobre el LED con las
siguientes características, en la figura a para PWM con ciclo útil del 50%, figura B
ciclo útil al 10%, cuya salida nos entrega una señal bastante uniforme con voltaje
de 0 a 37, 025, el restante recae sobre la resistencia de drain y el de polarización
del mosfet entre drain y source.
En la figura 40 se observan los resultados de la simulación, donde se utilizaron 2
señales de control para el PWM, una con un ciclo útil del 20 % y otra con ciclo útil
del 80 %, donde de manera adicional se observan mediciones en voltaje sobre la
carga para cada una de las señales de control.
De manera adicional para evitar sobre-tensiones se utilizó un capacitor entre
DRAIN y SOURCE que permita dar estabilidad a la señal de salida sobre la carga
(LED RGB).
62
Figura 40. PWM resultado de la simulación. Grafica de la izquierda para 20% de dutty; grafica derecha 80% de dutty.
Una vez se ha generado el diseño y se comprueba su funcionalidad mediante
simulación, se procede a realizar el diseño de la PCB, para pasar a la etapa de
implementación, para este diseño se hace uso del software EAGLE versión 7,en la
figura 41 se muestra el driver de potencia para cada uno de los canales y diseño
de la PCB, en la parte izquierda se detalla el diagrama circuital de cada uno de los
canales, en la parte derecha se muestra el consolidado de la PCB, donde las
líneas en azul muestran la ruta de conexión entre los elementos, las líneas rojas
hacen referencia a un tramo de circuito generado por el respaldo de la cara, y en
verde los terminales de conexión donde se soldaran cada uno de los elementos.
Para el diseño de la PCB se tienen en cuenta los siguientes criterios:
Por tratarse de PCB de potencia que soporta corriente total por encima de
los 3 amperios (1 amperio para cada canal) no se adiciona el circuito de
63
control a la placa, por el contrario se establecen pines de conexión donde
se conecte el módulo de control.
Para mejorar la durabilidad y evitar que al momento de imprimir la placa se
presenten interrupciones en el circuito, se evita que las esquinas de los
tramos trazados en azul sean de 90%, optando por realizar un quiebre
adicional que haga tender las esquinas a terminaciones redondeadas.
Los pines para el módulo de control y los pines para la alimentación se
establecen en extremos contrarios de la placa con el fin de evitar daños
sobre el módulo de control.
Figura 41. Driver de potencia para cada uno de los canales y diseño de la PCB en EAGLE versión 7
Luego de aplicados los criterios al diseño de la PCB, con el apoyo del grupo Laser
de la Universidad Distrital se imprime el diseño. En la figura 42 se muestra placa
PCB obtenida, para facilitar el montaje de los elementos y disminuir la probabilidad
de error al momento de ejecutar las conexiones, se establece señalización, dando
64
a conocer los pines para ingreso de la señal de control de PWM de cada uno de
los 3 canales, ubicación de los canales para el LED RGB, y señalización de la
fuente de alimentación:
Figura 42. Imagen de PCB obtenida.
Luego de obtenida la PCB se da comienzo a la etapa de montaje y soldadura de
cada uno de los componentes del circuito, para luego generar pruebas
correspondientes de funcionamiento.
Diseño estapa de control
Para la programación del control se utilizó el microcontrolador incorporado a la
TIVA con su respectivo entorno de desarrollo, haciendo uso de la función switch –
case para diferenciar cada uno de los canales y poder generar los 3 PWM de
manera simultánea, adicional el PWM se establece mediante valor ingresado por
el usuario a través de puerto serial, esto con el fin de garantizar que el usuario
tenga el control y pueda generar la gama de colores que desee.
65
El color que se desee emitir está basado en la composición R, G, B del color
soportado en el estándar de 0 a 255, donde 0 indica ausencia de color, y 255
indica máxima potencia para la emisión de color.
A continuación se detalla el código utilizado.
En los anexos se podrá encontrar el código de programación completo
Una vez se crearon los 2 métodos, uno para lectura y otro para escritura del puerto
serial, se procede a unificarlos, haciendo que el microcontrolador funcione por
multitarea, con esto podemos modificar el color en cualquier instante de tiempo, sin
alterar el muestreo y toma de datos del sensor, para este propósito se utiliza
comunicación serial con interrupción de puerto, esto quiere decir que cuando se
envié un dato de control por puerto serial ( para la escritura de la señal de control
PWM), se genere interrupción, ejecute la tarea y regrese al flujo normal, de manera
adicional la comunicación se genera mediante caracteres ASCII los cuales son
leídos por el puerto serial carácter a carácter, los datos se estructuran de la
siguiente manera:
Primer dato: corresponde al canal hacia el cual va dirigido el dato (R, G, B)
66
Trama de datos de control: Valor de 0 a 255 para PWM, si se envía un dato mayor
a 255 el sistema lo limita a 255 si se envía un dato menor a 0 el sistema lo limita a
0.
Dato de finalización: el último dato siempre será una coma ( , ) para indicar que ya
se ha enviado toda la trama de datos.
Luego de leídos los datos tipo char son concatenados y almacenados en una
variable de tipo string, de la cual se extrae la información de valor, para convertirla
en un dato entero y escribirla en el pin que sea necesario.
Para la visualización de los datos tomados en tiempo real se utiliza el monitor
serial incorporado al software de programación, y para garantizar que los datos
puedan ser visualizados e interpretados por el usuario, se ingresó un delay (tiempo
de retardo) de 500 ms, por lo tanto si en un trabajo futuro se desea implementar
una interfaz gráfica, es recomendable eliminar este delay, con el fin de obtener una
mayor cantidad de datos muestreados por segundo. En la figura se muestran los
datos obtenidos en monitor serial:
Figura 43. Visualización datos en monitor serial.
67
Una vez completa la etapa de potencia, y programado el módulo de control para la
señal de PWM, se obtienen graficas de funcionamiento tomadas por osciloscopio,
en las figuras 44 A y 45 A, se muestra señal de control PWM entregada por el
micro controlador, y en la figuras 44 B y 45 B se muestra señal de conmutación
sobre el mosfet como salida para el LED RGB de potencia.
El LED RGB utilizado es de ánodo común por lo tanto la señal en alto sobre el
DRAIN indica conexión a tierra, en otras palabras a mayor ciclo útil menor
intensidad de luz será emitida en el bombillo, por lo tanto para generar
concordancia en la señal emitida por el microcontrolador y la intensidad de luz
emitida por el LED RGB, se introdujo una etapa intermedia de inversor, la cual fue
contemplada en el diseño de la PCB mostrado en la figura 42, lo que nos da como
resultado la señal de conmutación para el mosfet mostrada en las figuras 44 B y
45 B, además de brindar un elemento más de protección para el microcontrolador.
Figura 44. A) PWM entregado por microcontrolador B conmutación MOSFET –sobre la carga LED
68
Figura 45. A) PWM entregado por microcontrolador B conmutación MOSFET –sobre la carga LED
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Teniendo en cuenta la relación costo beneficio entre diferentes tipos de sensores
de luz, se obtiene que el sensor de color a frecuencia TCS3200 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, partiendo de una matriz de 64 fotodiodos, 16 para cada
tipo de filtro de color RGB y 16 sin filtro, lo que permite tomar mayor cantidad de
información de la longitud de onda del color medido.
En el diseño del sistema de medición se realiza lectura de datos determinando el
ancho de pulso de cada una de las señales emitidas por el sensor para las
configuraciones sin filtro, filtro rojo, filtro verde, y filtro azul, estos datos fueron
almacenados en el microcontrolador, se trataron matemáticamente, para ser
visualizados a través de monitor serial, descompuestos en colores primarios Red,
Green, Blue y de esta manera determinar la composición RGB del color sensado.
Como parte de la calibración del sensor y con el apoyo del laboratorio de ensayos
eléctricos e industriales de la Universidad Nacional de Colombia el cual cuenta con
las condiciones necesarias para generar mediciones de calibración confiables,
donde de manera adicional se realiza la calibración óptica de lámparas de
distribución comercial para el sector empresarial, se utiliza el espectrómetro óptico,
69
para medir patrones de longitudes de onda estándar emitidos por la fuente de
iluminación artificial en el espectro rojo de 623nm, espectro verde de 526nm, y
espectro azul de 481 nm, que se establecieron como punto de referencia para la
calibración del sensor a utilizar, mediante los cuales se generó un barrido en el
espectro visible mediante la combinación de 0 a 255 para cada canal, obteniendo
por superposición de longitudes de onda el espectro de color visible en
composición RGB, se tomaron datos variando intensidad de voltaje en
alimentación y distancia, para lograr mayor homogeneidad y de forma paralela se
realizaron las mismas mediciones con nuestro sistema de medición basado en
sensor TCS3200 .Datos que permiten asegurar calidad de la calibración del
sensor y en las posteriores mediciones que se realicen con el mismo.
Se determinó que el tipo de tecnología de iluminación artificial más apropiada para
la implementación del proyecto es el LED (diodo emisor de luz), enmarcando vida
útil del dispositivo, su radiación es monocromática y la potencia emitida se centra
en una zona definida del espectro, además de ser amigable con el medio
ambiente, ya que su construcción no contiene mercurio ni elementos
contaminantes, a diferencia de algunas lámpara tradicionales, además debido a
las características de escalabilidad y modularidad requeridas para el alcance del
proyecto se eligió el microcontrolador TM4C123FH6PM ya que posee una mejor
velocidad de procesamiento, 16 pines destinados a PWM, permitiendo manejar 16
canales de control de manera simultánea, 2 conversores ADC de 12 bit cada uno
con una rata máxima de muestreo de un millón de muestras por segundo, que
genera mayor fiabilidad y mejor aprovechamiento de los datos enviados por el
sensor.
Se selecciona LED cuya configuración es de ánodo común, de acuerdo a análisis
teórico con el fin de evitar pérdidas de potencia y aumento de costos al adicionar
elementos divisores de voltaje, reguladores de voltaje, o fuentes de voltaje
independientes, ya que este tipo de soluciones requiere elementos adicionales,
partiendo de la premisa de que el voltaje de ánodo es constante para los canales
70
R,G,B, su regulación se realiza mediante software modificando el ancho de pulso
de la señal de control, dando la ventaja de generar un diseño estándar capaz de
soportar la potencia total de cada uno de los canales permitiendo que sea
escalable, ya que si se requieren aumentar el número de canales no es necesario
generar un nuevo diseño, solo adicionar driver de potencia adicional de acuerdo al
número de canales que se desee manejar.
Cada canal del LED maneja un voltaje y corriente umbral diferente para entregar
su máxima potencia ((100/3)vatios = 33.33 vatios para cada canal), canal rojo: 24
voltios a 1.375 amperios; canal verde: 32 voltios a 0,9375 amperios; canal Azul:
33 voltios a 0,909 amperios, una vez unificados los módulos para manejo del
sensor y escritura del PWM se realizan pruebas, donde se observan cambios
controlados para las variables R,G,B traducidos en colores distintos de acuerdo a
su composición en colores primarios, donde de acuerdo al análisis teórico se
esperaban perdidas en potencia del 2%, al realizar las mediciones sobre el circuito
implementado se observa que las pérdidas ascienden a 6,04% de la potencia total,
lo cual se puede relacionar con pérdidas en el mosfet por temperatura, y perdidas
por señal de conmutación con leve presencia de ruido, dada la velocidad de
respuesta de los elementos. Las restricciones que sea necesario introducir al
diseño se pueden manejar a nivel de software, por ejemplo cambiar el voltaje de
cada canal de acuerdo a su umbral de funcionamiento.
Durante la implementación del proyecto se vio la necesidad de adicionar una
capacitancia entre drain y source para estabilizar la señal de voltaje sobre la carga
y evitar picos por sobre tensión generados al momento de la conmutación.
71
TRABAJOS FUTUROS
Generar sistema controlado por realimentación, de manera que sea
autónomo
Generar una placa independiente del entorno de desarrollo.
Generar una interfaz gráfica (aplicación o página web) que permita una
mejor interacción entre el dispositivo y el usuario.
Realizar almacenamiento de la toma de datos en tiempo real, para su
posterior análisis, lo que permita generar modelos matemáticos del
comportamiento del dispositivo y su impacto sobre las plantas irradiadas.
Incorporarlo a un sistema general de control para invernadero, que pueda
incluir manejo de temperatura, humedad, nivel de C02 entre otros factores
determinantes para la fotosíntesis de las plantas.
Escalar el proyecto para manejo de potencias superiores a los 100W.
Orientar el dispositivo a decoración de interiores o para eventos (hoteles,
bares, apartamentos).
Diseño de esquema de distribución uniforme del espectro de color.
Diseño de sistema de refrigeración.
72
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74
ANEXOS
Índice De Figuras
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) ................................................................................................................................................... 14
Figura 2. Composición de color RGB, HSL, HSV: (ASALE y RAE). ......................................................................... 19
Figura 3 Descripción Dispositivos conversores de luz a voltaje (Mouser Electronis, 2016) ................................ 31
Figura 4 Descripción Dispositivos conversores de luz a frecuencia (Mouser Electronis, 2016) .......................... 31
Figura 5 Descripción Dispositivos conversores de luz a valores digitales (Mouser Electronis, 2016) ................. 32
Figura 6. Descripción Dispositivos sensores de color con polarización de 2.7V a 5.5V (Mouser Electronis, 2016)
............................................................................................................................................................................ 32
Figura 7. Descripción arreglo de sensores lineales (Mouser Electronis, 2016) .................................................. 32
Figura 8. Descripción tarjeta en evaluación programable basada en TCS230 (Mouser Electronis, 2016) ......... 33
Figura 9. Encapsulados comunes para los diferentes dispositivos (Mouser Electronis, 2016) ........................... 33
Figura 10. Configuración de pines del TCS3200 según datasheet. ..................................................................... 34
Figura 11. Curvas características de medición de color sensor TCS3200 según datasheet. ............................... 36
Figura 12. Señales para los pines del Microcontrolador TM4C123FH6PM. ........................................................ 40
Figura 13. Circuito de Polarización del Microcontrolador. TM4C123FH6PM ..................................................... 41
Figura 14. Circuito de configuración para puerto serial. .................................................................................... 41
Figura 15. Entorno de desarrollo Tiva C series – TM4C123GXL con la distribución de pines, del
microcontrolador TM4C123FH6PM tomado de http://energia.nu/Guide_StellarisLaunchPad.html ............... 42
Figura 16. Diagrama de bloques general del sistema. ...................................................................................... 43
Figura 17. Código para selección de pines a utilizar del micro controlador ...................................................... 44
Figura 18. Código para la configuración inicial pines entradas y salidas........................................................ 45
Figura 19.Código base para la lectura del dato entregado por el sensor; .......................................................... 45
Figura 20 codigo utilizado para la escritura en el puerto serial. ....................................................................... 46
Figura 21. Grafica de respuesta en longitud de onda para las variables R, G, B una vez restada la luminancia.
............................................................................................................................................................................ 46
Figura 22. Grafica de respuesta en longitud de onda para las variables R, G, B una vez restada la luminancia
normalizada a 100%. .......................................................................................................................................... 47
Figura 23. Diagrama de flujos para la programación del entorno de desarrollo Tiva C series – TM4C123GXL . 48
Figura 24. diagrama de flujos de subprocesos detallado para la programación del entorno de desarrollo Tiva C
series – TM4C123GXL. ........................................................................................................................................ 49
Figura 25. Longitud de onda en el espectro del rojo........................................................................................... 50
Figura 26. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro rojo. .................................... 51
Figura 27. Longitud de onda en el espectro del rojo........................................................................................... 52
Figura 28. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro rojo. .................................... 52
Figura 29. Longitud de onda en el espectro del verde. ....................................................................................... 53
Figura 30. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro verde. .................................. 53
Figura 31. Longitud de onda resultante de la combinación predominante en el espectro de color verde y azul.
............................................................................................................................................................................ 54
Figura 32. . Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro Azul y verde. ...................... 54
75
Figura 33. Longitud de onda en el espectro del azul. ......................................................................................... 55
Figura 34. Grafica de irradiancia espectral para longitud de onda en el espectro verde. .................................. 55
Figura 35. Caracteristicas, encapsulado, pines y curva de transferencia IRF530N. ............................................ 58
Figura 36. configuracion de conmutacion recomendada y respuesta en el tiempo. .......................................... 59
Figura 37. Rango de operación para mosfet IRF530N. ...................................................................................... 59
Figura 38. Esquema circuital de los 3 drivers de potencia para canales R, G , B, mediante software Multisim de
National instruments. ......................................................................................................................................... 60
Figura 39. Esquema circuita driver de corriente estándar para los canales. ..................................................... 61
Figura 40. PWM resultado de la simulación. Grafica de la izquierda para 20% de dutty; grafica derecha 80% de
dutty. .................................................................................................................................................................. 62
Figura 41. Driver de potencia para cada uno de los canales y diseño de la PCB en EAGLE versión 7 ................. 63
Figura 42. Imagen de PCB obtenida.. ................................................................................................................. 64
Figura 43. A )PWM entregado por microcontrolador B conmutación MOSFET –sobre la carga LED ............ 67
Figura 44. A ) PWM entregado por microcontrolador B conmutación MOSFET –sobre la carga LED ........... 68
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Índice de Tablas
Tabla 1. Caracterización de parámetros que intervienen en la fotosíntesis relacionados con la variable
lumínica. ............................................................................................................................................................. 15
Tabla 2. Cuadro comparativo de luminosidad. (Harper, 2004) .......................................................................... 17
Tabla 3 Cuadro comparativo de iluminancias. (Harper, 2004) ........................................................................... 17
Tabla 4. Características y comparación de los tipos de tecnologías para iluminación que se encuentran
actualmente en el mercado. ............................................................................................................................... 29
Tabla 5. Detalle de los pines del sensor TCS3200 según datasheet .................................................................... 35
Tabla 6. Selección de filtro y escalado en frecuencia para el sensor TCS3200 ................................................... 35
Tabla 7. Comparación fabricantes de microcontroladores ................................................................................. 37
Tabla 8. Selección de fabricantes y arquitecturas .............................................................................................. 38
Tabla 9. Selección microcontrolador por proveedor. .......................................................................................... 38
Tabla 10. Comparación especificación Microcontroladores seleccionados por proveedor ............................... 38
Tabla 11. Principales características microcontrolador TM4C123FH6PM.......................................................... 39
77
Código utilizado para la programación del microcontrolador:
/*
VCC 3V3 GND GND S0 31 Selección para salida de escalado de frecuencia S1 32 Selección para salida de escalado de frecuencia S2 33 Selección del tipo de fotodiodo S3 34 Selección del tipo de fotodiodo OE 39 habilitación de salida (active low) OUT 40 Salida-->Onda Cuadrada Opciones seleccionables ------------------ S0 S1 Escalado de frecuencia de salida L L Apagado L H 2% H L 20% H H 100% s2 S3 Tipo de fotodiodo seleccionado L L Rojo L H Azul H L Sin filtro H H Verde *********************************************************************** * LIBRERIAS y CONSTANTES *********************************************************************** */ boolean hab = false; /****Pines Lectura RGBW****/ int pinR = 23; int pinG = 24; int pinB = 25; //int pinW = 26; /****Pines Lectura RGBW****/ int S0 = 31;
int S1 = 32; int S2 = 33; int S3 = 34; int OEPin = 39; int outPin = 40; // constantes - ajustables si se presentan lecturas pobres debido // a ruido generado por otras fuentes de luz const int Rc = 100; //Responsividad relativa clara const int Rr = 99; // Responsividad relativa roja const int Rg = 65; // Responsividad relativa verde const int Rb = 70; // Responsividad relativa azul /****-----------------------****/ /* *********************************************************************** * SETUP CONFIGURACIÓN INICIAL *********************************************************************** */ String inString = ""; void setup() { configurarSerial(); configurarSalidasPWM(); configurarPinesSensor(); prenderLed(); } void configurarSerial() { Serial.begin(9600); } int a=0; int z=0; int R=1; int G=1; int B=1; void configurarSalidasPWM() {
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pinMode(pinR, OUTPUT); // rojo pinMode(pinG, OUTPUT); // verde pinMode(pinB, OUTPUT); // azul // pinMode(pinW, OUTPUT); // blanco } void configurarPinesSensor() { pinMode(outPin, INPUT); // habilita puerto de lectura pinMode(OEPin, OUTPUT); // habilita encendido del sensor digitalWrite(OEPin, LOW);// Habilida el escalado de frecuencia pinMode(S0, OUTPUT); // pin de configuracion para escalado de frecuencia pinMode(S1, OUTPUT); // pin de configuración para escalado de frecuencia digitalWrite(S0, HIGH);// escalado de frecuencia para 20% en combinación con S0 digitalWrite(S1, LOW); //escalado de frecuencia para 20% en combinación con S0 pinMode(S2, OUTPUT); // pin de configuración para selección del filtro de color pinMode(S3, OUTPUT); // pin de configuración para selección del filtro de color } void prenderLed () { analogWrite(pinR, 30); analogWrite(pinG, 30); analogWrite(pinB, 30); } /* *********************************************************************** * LOOP BUCLE PRINCIPAL *********************************************************************** */ char brightness; int x;
void loop() { if(a==0) { serialSensor(); delay(10); Serial.flush(); } if (hab) { delay(500); leeSerialRGBW2PC(); inString=""; Serial.flush(); a=0; hab = false; } } void leeSerialRGBW2PC() { switch(leer()){ case 1: analogWrite(pinR, leerPuerto()); break; case 2: analogWrite(pinG, leerPuerto()); break; case 3: analogWrite(pinB, leerPuerto()); break; // case 'W': // analogWrite(pinW, leerPuerto()); // break; } } // lee el puerto serial int leer() { while (Serial.available()<=0) {} // verifica disponibilidad de dato brightness = Serial.read(); inString += (char)brightness;
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if (brightness =='B') { z=3; Serial.flush(); return z; } if (brightness =='R' ) { Serial.flush(); z=1; return z; } if (brightness =='G') { z=2; Serial.flush(); return z; } return 0; } /* leer puerto toma los datos como caracteres y los convierte en int retornando un numero entero, e cual se escribira sobre el puerto */ int leerPuerto() { a=1; delay(500); while (Serial.available()<=0) { return 0; } inString=""; while(a==1) { brightness = Serial.read(); inString += (char)brightness; delay (10); x=inString.toInt(); if (brightness == ',') { inString=""; if(x>=255)
{ x=255; } if (x<=0) { x=0; } if (z==1){R=x;} if (z==1){G=x;} if (z==1){B=x;} return x; } } } void serialSensor() { Serial.flush(); digitalWrite(S2, HIGH);// Se configura para tomar lectura sin filtro digitalWrite(S3, LOW); int cPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza la lectura int Ac = cPulse * Rc;//ajusta lectura con el valor de responsividad relativa clara Serial.flush(); digitalWrite(S2, LOW);// Se configura para tomar lectura filtro rojo digitalWrite(S3, LOW); int rPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza la lectura int Ar = rPulse * Rr;// ajusta la lectura con el valor de responsividad relativa roja int Cr = Ar - Ac; // aplica correccion para su lectura clara Serial.flush(); digitalWrite(S2, HIGH);// Se configura para tomar lectura filtro verde digitalWrite(S3, HIGH); int gPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza lectura Serial.flush(); int Ag = gPulse * Rg;// ajusta la lectura con el valor de responsividad relativa verde
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int Cg = Ag - Ac;// aplica correccion para su lectura clara Serial.flush(); digitalWrite(S2, LOW);// Se configura para tomar lectura filtro azul digitalWrite(S3, HIGH); int bPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza lectura int Ab = bPulse * Rb;// ajusta la lectura con el valor de responsividad relativa azul int Cb = Ab - Ac; // aplica correccion para su lectura clara Serial.flush(); //-------------- Encuentra composición relativa de los colores en pasos de 0 a 255 ---------------- if (Cr < Cg && Cg < Cb)// orden del color RGB { r = R * Cg/ Cb; g = G * Cr / Cg; b = B * Cr / Cb; } else if (Cr < Cb && Cb < Cg)// orden del color RGB { r = R * Cb/ Cg; b = G * Cr / Cb; g = B * Cr / Cg; } else if (Cg < Cr && Cr < Cb)// orden del color RGB { g = G * Cr/Cb; r = R * Cg / Cr; b = B * Cg / Cb; } else if (Cg < Cb && Cb < Cr)// orden del color RGB { g = G * Cb/ Cr; b = B * Cg / Cb; r = R * Cg / Cr; } else if (Cb < Cr && Cr < Cg)// orden del color RGB
{ b = B * Cr / Cg; r = R * Cb / Cr; g = G * Cb / Cg; } else if (Cb < Cg && Cg < Cr) // orden del color RGB { b = B * Cg / Cr; g = G * Cb / Cg; r = R * Cb / Cr; } Serial.println("\n\n\n\n"); Serial.print(" rPulse= "+String(cPulse)); Serial.println("\n"); Serial.print(" gPulse= "+String(gPulse)); Serial.println("\n"); Serial.print(" bPulse= "+String(bPulse)); Serial.println("\n"); Serial.print(" r= "+String(r)); Serial.println("\n"); Serial.print(" g= "+String(g)); Serial.println("\n"); Serial.print(" b= "+String(b)); Serial.println("\n"); Serial.println(""); Serial.println(" COLOR TIENDE A .. VERDE"); Serial.println(""); delay (500); } void serialEvent() // INTERRUPCION DE PUERTO POR LECTURA DE SERIAL { hab= true; }