SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO
SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO DELEFECTO DE LA RADIACIÓN PAR EN LAS PLANTASAutor:Jeisson Eduardo ForeroCód.: 20092005036Director:Cesar Andrey Perdomo CharryGrupo de investigación LASERUniversidad Distrital Francisco José de CaldasFacultad de IngenieríaProyecto Curricular de Ingeniería ElectrónicaBogotá DC, ColombiaNoviembre de 2016
SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO DELEFECTO DE LA RADIACIÓN PAR EN LAS PLANTASAutor:Jeisson Eduardo ForeroCód.: 20092005036Jurado:Jaime Humberto Angulo ParadaDocente Universidad Distrital F.J.CUniversidad Distrital Francisco José de CaldasFacultad de IngenieríaProyecto Curricular de Ingeniería ElectrónicaBogotá DC, ColombiaNoviembre de 20162
SISTEMA DE MEDICIÓN Y MONITOREO PARA EL ESTUDIO DELEFECTO DE LA RADIACIÓN PAR EN LAS PLANTASAutor:Jeisson Eduardo Forero20092005036Trabajo de grado para optar al título de:Ingeniero ElectrónicoDirectorCesar Andrey Perdomo CharryGrupo de investigación LASERUniversidad Distrital Francisco José de CaldasFacultad de IngenieríaProyecto Curricular de Ingeniería ElectrónicaBogotá DC, ColombiaNoviembre de 20163
RESUMENCon el auge de la tecnología LED Y gracias a sus características monocromáticasy de directividad son ampliamente utilizadas como iluminación en el hogar y enalgunospaísesindustrializados alrededor del mundo han tenido gran acogida los desarrollosbasados en tecnología LED de alta potencia, aplicados en plantas enespecial ornamentales o plantas de jardín utilizadas con fines de decoración yhortícolas 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 larespuesta fisiológica de las plantas presentes en la industria hortícola regional,en especial de la fotosíntesis, a partir del diseño de un sistema de iluminaciónbasado en un estudio previo de sistemas de iluminación artificial y la actualmigración a sistemas de iluminación con tecnología LED y OLED cuyo espectro deradiación esta dado en una banda especifica lo que proporciona un menor gastode potencia, y facilita irradiar la planta con la parte del espectro especifico que ellanecesita. Habitualmente los vegetales utilizan la luz desde los 400nm hasta los700 nm para la fotosíntesis (conocida como radiación PAR, radiaciónfotosintéticamente activa -Photosynthetic Active Radiación- o luz de crecimiento),variando el efecto de la longitud de onda según las horas del día y los estadios decrecimiento de la planta. (Grupo de investigación GIR-TADRUS. ETSI agrarias,2010)Teniendo en cuenta la distribución espectral de las lámparas usadas se optara porbuscar 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 deberánpresentar su máxima emisión en dichas regiones, ya que de acuerdo ainvestigaciones realizadas (entre ellas por la Universidad politécnica de4
Valencia), en este intervalo de longitudes de onda, el proceso fotosintético es demayor rendimiento para las plantas. (Universidad Politécnica de Valencia, 2011)Con base en esta información se apuesta por un sistema de iluminación artificialque permita mejorar la calidad espectral sobre el dosel vegetal en cada una de lasetapas de la planta, que como consecuencia traerá un mejor desarrollo de lasplántulas; Para ello se caracterizaran fuentes de luz fluorescentes estándares,lámparas fluorescentes compactas o de bajo consumo LEDS y OLEDS de altapotencia, donde paralelo a las necesidades específicas de la planta en cada unode sus estadios se seleccionara la tecnología de iluminación más adecuada parala realización del diseño del sistema de iluminación.Se utilizaron diferentes herramientas de software para llevar a cabo el proceso dediseño e implementación destacando, entorno de desarrollo Tiva ( perteneciente ala familia de Launchpad programable cuya función fue la captura de datos delsensor TCS3200, manejo de PWM para los canales R, G, B envió y recepción através de puerto serial, Eagle como software para el diseño PCBs , lassimulaciones fueron llevadas a cabo en multisim de National Instruments, yfinalmente Git Hub donde se lleva el control de versiones, repositorio dedocumentación e información relevante utilizada como soporte al desarrollo delproyecto disponible en la URL https://github.com/RadiationPARPalabras clave: LED y OLED, rendimiento fotosintético, monocromático,directividad, espectro.5
AGRADECIMIENTOSEn primer lugar agradezco a Dios y a mis padres quienes brindaron su apoyo,compañía, y esfuerzo en todo momento, siendo la motivación para obtener estegran logro.Segundo a aquellas personas que me apoyaron,y compartieron susconocimientos e instrucciones siendo eje fundamental para el desarrollo y éxito deeste proyecto, en especial a nuestro director el Ingeniero Cesar Perdomo Charryquien nos acogió como parte del grupo de investigación Laser, también agradeceral ingeniero Jaime Angulo por su aportes ejerciendo la u función de revisor.como último un especial agradecimiento al ingeniero Oscar Perdomo, alLaboratorio de Ensayos Eléctricos Industriales -Módulo de Iluminación-UniversidadNacional de Colombia - Sede Bogotá (iluminacion fibog@unal.edu.co), porfacilitarnos el espacio y equipos necesarios de calibración y demás docentes,amigos y compañeros que de una u otra manera aportaron en nuestro crecimientoprofesional y generaron unaexperiencia memorable en nuestras vidas.6
TABLA DE CONTENIDOContenidoResumen. ¡Error! Marcador no definido.AGRADECIMIENTOS . 6PANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . 9¿Por qué crear un sistema de observación para la respuesta fisiológica de las plantas apartir de iluminación LED? . 9ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION . 11OBJETIVOS . 13General: . 13Específicos: . 13MARCO REFERENCIAL . 14Caracterización de los parámetros que intervienen en la fotosíntesis con énfasis en lailuminación. . 14Análisis de variables . 16Intensidad luminosa: . 16Flujo luminoso: . 16luminancia . ¡Error! Marcador no definido.iluminancia . ¡Error! Marcador no definido.Eficiencia luminosa:. 18Tricromía: . 18Un color cualquiera C puede expresarse matemáticamente como: . 18Matiz: . 18luminosidad: . 18Saturación o brillo: . 18ESTADO DEL ARTE . 19CAPITULO I . 22Clasificar los tipos de tecnologías de iluminación más relevantes que existenactualmente en el mercado. 22ILUMINACION ARTIFICIAL . 23TEGNOLOGIA LED y OLED DE ALTA POTENCIA . 277
CAPITULO II . 30Documentar los requerimientos del diseño, seleccionar y caracterizar los sensores autilizar. . 30Análisis requerimientos para el proyecto:. 30Análisis de sensores de luminosidad comerciales: . 31Linear sensor arrays . 32Evaluation boards (evm) . 33Descripción sensor seleccionado TCS3200: . 34Selección de fabricantes microcontrolador a utilizar . 37Selección Familia microcontrolador Por Fabricante . 38Microcontrolador seleccionado por Especificaciones . 38Microcontrolador seleccionado . 39Circuito de requerimientos del Microcontrolador . 40Interfaz USB . 41CAPITULO III . 43Diseñar y construir etapa de medición. . 43MEDICIONES LABORATORIO DE ENSAYOS ELECTRICOS E INDUSTRIALESUNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA . 50CAPITULO IV . 56Diseñar e implementar etapa de potencia y control. 56Etapa de potencia. . 56Diseño estapa de control . 64RESULTADOS Y CONCLUSIONES . 68TRABAJOS FUTUROS. 71Referencias . 72ANEXOS . 74Indice De Figuras . 74Indice de Tablas . 768
PANTEAMIENTO DEL PROBLEMA¿Por qué crear un sistema de observación para la respuesta fisiológica de lasplantas a partir de iluminación LED?Según Pérez Elena (2009), la fotosíntesis es un proceso físico-químico medianteel cual se utiliza energía solar para sintetizar compuestos orgánicos, yproporcionar la energía suficiente para que la planta lleve a cabo sus procesosvitales. Por su parte Gliessman en su libro de agroecología propone una ruta deejecución de la fotosíntesis donde una vez que la luz es absorbida por la hoja y seactivan los procesos en el cloroplasto, se lleva a la producción de azúcares ricosen energía donde la tasa fotosintética está determinada primero por tres conjuntosdiferentes de factores: 1) la etapa de desarrollo de la planta, 2) las condicionesambientales 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 dedióxido 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 colombianascon el pasar del tiempo han realizado proyectos de investigación; donde el cultivode algunas plantas se ha trasladado hacia estructuras de invernadero paraaislarlos de condiciones climáticas poco favorables. Por su parte el avancetecnológico en el área de la electrónica, permitió generar sistemas de control entrelos cuales se destacan el control de temperatura, riego, humedad y ventilaciónmediante el uso de sensores (Acuña J. F., 2009). En cuanto al factor lumínico sehan venido adoptando mecanismos de iluminación artificial basados en lautilización de tubos fluorescentes, incandescentes, de halogenuro metálico, desodio de alta presión, de vapor de mercurio y halógenas de tungsteno entre otrascuya desventajas más relevantes son: el contenido de mercurio de alta toxicidad,la reflexión de luz dispar, la ineficiencia eléctrica y la producción de un espectropobre para el cultivo de las plantas. Actualmente estas lámparas se distribuyen de9
manera homogénea al interior de invernaderos, las cuales funcionan a partir detemporizadores que controlan su tiempo de encendido/apagado. (Almanza, 2012)Actualmente en distintas regiones de Europa se ha incorporado la iluminación LEDcomo sistema de radiación para el estímulo fotosintético de las plantas, por susnumerosos beneficios ya que permite la reducción del consumo de potenciaentregando solo la porción de espectro que está necesita para llevar a cabo susfunciones de manera adecuada. (Inoled, 2014)De esta manera en el año 2014 y lo corrido de 2015 en Colombia se adelantanesfuerzos por adoptar este tipo de tecnología de iluminación para invernadero,mediante la importación de pantallas LED de alta potencia que se utilizan enEuropa y que vienen previamente calibradas para determinados genotiposespecialmente diseñados para la floricultura. (Iluminet, 2014).De ahí se evidencia la necesidad de desarrollar un sistema de observación quepermita mediante una interfaz monitorear el espectro irradiado a la planta deacuerdo al genotipo y sus necesidades ya que cada especie de plantas tienediferentes características y necesitarán condiciones diferentes para llevar a cabosus proceso fotosintético de una manera adecuada,este sistema será unaherramienta para poder evaluar y aprender sobre la respuesta fisiológica de laplanta al estímulo de la luz LED, sin la necesidad de adquirir en el mercadosistemas de iluminación extranjeros, diseñados sólo para determinados tipos deplantas que conllevan a una alta inversión económica y si no son los adecuadospara el tipo de planta que se está cultivando, harán que dicho sistema no seutilice al máximo y genere pérdidas de potencia traducidas en pérdidaseconómicas, sin posibilidad de retorno, lo que no permitirá la realización decultivos rotativos con un mismo sistema de iluminación.10
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIONColombia es un país potencialmente agrícola, que no ha explotado al máximo sucapacidad productiva principalmente a la baja incursión en nuevas tecnologías.Esta situación se ve reflejada en los altos índices de importación de productos encomparación con los índices de exportación, aun cuando Colombia es productorde gran cantidad de productos que actualmente se importan, el ingreso al mercadocolombiano de productos agropecuarios, alimentos y bebidas subió 9,1 por ciento,debido principalmente a las mayores compras externas de semillas y frutosoleaginosos 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 parael rendimiento fotosintético de las plantas (agua, nutrientes, dióxido de carbono,oxigeno, temperatura, humedad e iluminación) logrando valiosos aportes en elrendimiento fotosintético. Se observa gran relevancia en el factor iluminación,donde la carencia de luz solar en todo instante de tiempo genera que el procesoenergético del dosel vegetal sea muy limitado y en cuanto a iluminación artificialaún no se tienen en cuenta aspectos como intensidad, brillo, espectro lumínico dela luz y cantidad de luz necesaria para mejorar el rendimiento fotosintético de lasplantas. (Acuña Caita, 2009).A su vez el tipo de lámparas más empleado en los invernaderos, viveros ysemilleros corresponden a tubos fluorescentes estándares TL-D y de fluorescenciade alta eficacia TL5. Ambas presentan ventajas como amplio espectro y bajo costofrente al espacio que ocupan, sin embargo tienen un alto impacto ambiental por elalto contenido en mercurio, su espectro es pobre en la región del azul y no tieneen cuenta aspectos como intensidad, brillo, espectro lumínico de la luz y cantidadde 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 plantasy se evite su saturación. Luego nace la necesidad de adoptar mecanismos queaporten de manera positiva al desarrollo integral de tecnologías aplicadas a laagricultura, teniendo en cuenta que desde hace algunos años empresas en11
especial las dedicadas al negocio de la floricultura y el cultivo hortícola, hanmigrado ha estructuras de invernaderos equipados con algunos sistemas decontrol de temperatura, humedad, riego, ventilación, donde existe déficit en elmanejo y control de la variable lumínica la cual es de vital importancia en elproceso fotosintético fundamental para el desarrollo de las plantas, tanto así queen países desarrollados como en el caso de Europa se han desarrollado sistemasde iluminación con base en tecnología LED y OLED para este propósito, loscuales se encuentran en el mercado con precios que oscilan sobre los 400 dólarespara paneles sencillos de iluminación, con la desventaja que al no poseersistemas de control se está condicionado a las características propias de diseñoque trae el panel de fábrica, por su parte países como México y chile han hechoesfuerzos en investigación en el tema generando paralelamente algunos dis
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 d
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