Sistema De Medición Y Monitoreo Para El Estudio Del

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 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

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

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

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.

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.

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

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

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

9 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.

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

11 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.

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

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.

En la tabla 1 se observan los principales parámetros y características que intervienen en la fotosíntesis relacionados con la variable lumínica.

PARAMETRO CARACTERISTICAS Si la intensidad luminosa es alta y constante, el rendimiento Dióxido de fotosintético aumenta en relación directa con la concentración de carbono dióxido de carbono en el aire, hasta alcanzar un determinado valor a partir del cual el rendimiento se estabiliza. El rendimiento fotosintético aumenta con el aumento de temperatura, Temperatura debido al movimiento de moléculas, hasta llegar al punto de estabilización a partir del cual la temperatura afecta a la planta. 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 Humedad 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 Cuanto mayor es la concentración de oxígeno en el aire, menor es el de oxigeno rendimiento fotosintético, debido a los procesos de foto-respiración 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 Luz y fotosíntesis sea del 4%.El fotoperiodo es la relación entre la duración fotoperiodo 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.

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)

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)

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 18

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 19 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 20 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.

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.

SISTEMA DE MEDICION Y MONITOREO PARA EL ESPECTRO DE LA LUZ LED

ILUMINACION ARTIFICIAL Tipo Características Desventajas Fuente de luz blanca artificial más empleada por los cultivadores. Se encuentran en formato de 175, 250, 400, halogenuro 1.000, 1.100 y 1.500 vatios. La vida media de una bombilla de metálico Generan halogenuro es de unas 12.000 horas, casi dos años seguidos Ruido y Tienen un funcionando 18 horas diarias. exceso de espectro sodio de Espectro más limitado. Menor número de elementos químicos. calor similar al de la alta presión Mejor producción de lúmenes, vida útil de 24.000 horas, principal luz solar. Lo (AP), aproximadamente 5 años, al 50% de uso diario. causa de la que se destrucción Combinación entre la lámpara de halogenuro metálico y la traduce en Luces de de los bombilla de sodio AP. 150, 215, 360, 400, 880, 940, y 1.000 pérdidas de descarga balastros. de alta bombillas vatios. Tienen un espectro menos azulado, son hasta un 25% potencia. de más brillantes que los sistemas de halogenuro metálico y si Usan intensidad materiales (DAI) conversión proporción de lúmenes por vatio supera la del halogenuro. vida útil hasta 24.000 horas y resultan menos caras que todo un tóxicos, de sistema de sodio AP. gran Producen un impacto al espectro medio La luz que emite es color azul verdoso, no contiene radiaciones pobre para el ambiente rojas. Las lámparas de vapor de mercurio requieren de un cultivo de las debido a su vapor de balastro. 25000 horas de vida aunque la depreciación lumínica plantas. han difícil de mercurio es considerable. Los picos de emisión de mayor intensidad de quedado como el las lámparas de mercurio son ultravioleta, violeta, infrarrojo, obsoletas por mercurio verde, azul. su eficiencia eléctrica

ALGUNOS General Electric, Iwasaki, Lumenar, Osram/Silvana, Philips y Venture (Sun Master) FABRICANTES

Características Desventajas Tipo Deben mantenerse muy cerca Menor perdida de calor en comparación con los (de 5 a 10cm) de las plantas bombillos incandescentes comunes, de un 70 a 75% para obtener los mejores menos pérdida de calor. (West Larry. resultados. El proceso de Enviroment.about.com). La emisión de luz es 4 a 6 Lámparas fluorescentes producción es más complejo y veces mayor que los bombillos comunes para la misma compactas. laborioso que el de los cantidad de energía eléctrica. Ampliamente usadas bombillos comunes. Contiene para cultivar esquejes y plantas pequeñas en estado una pequeña cantidad de vegetativo. Vida útil entre 10.000 y 20.000 horas (18- mercurio, Hg (2 a 5 mg) el cual 36 meses con 18 horas de uso diario) es de alta toxicidad.

Las lámparas halógenas no Un filamento de tungsteno dentro de un gas inerte y producen una luz adecuada una pequeña cantidad de halógeno (como yodo o para cultivar. Tienen muy poca bromo). El filamento y los gases se encuentran en potencia en cuanto a lúmenes equilibrio químico, mejorando el rendimiento del por vatio. El funcionamiento de Lámparas halógenas de filamento y aumentando su vida útil. El vidrio se las bombillas halógenas es tan tungsteno sustituye por un compuesto de cuarzo, que soporta ineficiente como el de las mucho mejor el calor (lo que permite lámparas de lámparas incandescentes. Su tamaño mucho menor, para potencias altas). Su vida espectro de color está situado útil es de 2.000 y 4.000 horas de funcionamiento. en el extremo rojo, con solo un 10-15% en la zona visible del espectro.

Son monocromáticas: producen Su conversión de lúmenes por vatio es la más elevada luz en una porción muy estrecha de todas las lámparas que hay en el mercado llega a del espectro a 589 nanómetros. El Lámparas de sodio de baja ser de 190 Lm/W. La vida media resulta ser de unas proceso de encendido de una presión 15.000 horas, con una depreciación que no llega al lámpara de vapor de sodio a baja 20%., El rendimiento de estas lámparas es óptimo presión dura unos 10 minutos y al cuando la temperatura interna alcanza los 270 ºC, final se obtiene una luz amarilla monocromática

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 las pantallas pulidas se rayan sobre la lámpara y paredes reflectantes puede llegar fácilmente, provocando una a duplicarse el área de cultivo. Las superficies iluminación desigual granuladas y las amartilladas ofrecen una buena difusión de la luz y una superficie mayor para GENERALIDADES reflejarla. Los puntos calientes son muy comunes en Pantallas las superficies muy pulidas, tipo espejo. reflectoras 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 Pantallas posición vertical. Solo es necesario reflejar la mitad Tienen un mayor costo que los reflectoras de la luz. Están disponibles en muchos tamaños y reflectores verticales. horizontales 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

Una lámpara horizontal rinde hasta el 40% más de luz que una lámpara encendida en posición vertical. La luz tiene que atravesar una distancia Pantallas Las pantallas en forma de cúpula parabólica son las mayor antes de ser reflejada por las reflectoras que ofrecen los mejores resultados. Reflejan la luz de pantallas reflectoras parabólicas o verticales forma relativamente homogénea 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 Sólo emite luz en directa, en Lámparas Al no haber pantalla, la lámpara funciona a menor todas las direcciones y no es sin reflector temperatura posible aprovechar al máximo la eficiencia lumínica de la misma.

Existen varias lámparas disponibles que incorporan refrigeración por aire. Unas incorporan una pantalla reflectora con una cara protectora de vidrio y dos extractores Lámparas para mover aire a través de la cavidad sellada de la pantalla reflectora. El aire es refrigeradas forzado a pasar de una esquina a otra, lo cual requiere una corriente a mayor velocidad. por aire En otros reflectores refrigerados por aire, la corriente no tiene que girar, por lo que el aire se evacua rápida y eficazmente. Lámparas Las lámparas refrigeradas por agua o por aire son bastante populares en climas cálidos. refrigeradas 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 Lámparas hasta en un 80% gracias al empleo de bombillas refrigeradas por agua. El agua y la refrigeradas cubierta externa producen una pérdida lumínica del 10%, compensando esta pérdida por agua acercando más las bombillas a las plantas.

TEGNOLOGIA LED y OLED DE ALTA POTENCIA

VENTAJAS DESVANTAJAS

No contienen mercurio ni otros metales pesados. Producen menos A partir de 65º la mayoría de emisiones de CO2 que las fuentes de iluminación artificial los LED se estropean. Es tradicional. Sus radiaciones no son perjudiciales, ya que emiten un MEDIO- necesario vigilar la electrónica espectro monocromático visible sin presencia de radiación AMBIENTALES que lleva asociada, que suele ultravioleta y bajo índice de radiación infrarroja. Alto Índice de romperse antes que el LED. Reproducción Cromática. Menor contaminación lumínica, ya que la Requieren una elevada luz que emite el LED siempre va direccionada. 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 En la actualidad se está migrando a tecnología de iluminación LED con mucha superficie de en exteriores e interiores debido a su bajo consumo energético. disipación para garantizar Menor consumo que las lámparas tradicionales (fluorescente, mayor tiempo de vida útil El ECONOMICAS incandescentes, halógenas, bajo consumo). Con reducciones que precio en comparación con las van desde el 65% para los fluorescentes, hasta más del 80% para convencionales es bastante halógenas e incandescentes y el 50% en las de bajo consumo. elevado.

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. ARQUITECTURA Posibilidad de cambios de colores en una misma lámpara. La Y DISEÑO 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.

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 OTRAS 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

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 FOTOMETRICAS 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)

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 CALORIMETRICAS 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

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 ELECTRICAS 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.

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 VIDA UTIL 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.

Tabla 4. Características y comparación de los tipos de tecnologías para iluminación que se encuentran actualmente en el mercado.

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

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.

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)

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

33 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

34 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.

Escala frecuencia s2 s3 tipo de filtro s0 s1 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

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.

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  Kinetis MCUs (base don ARM Cortex®- Technology) 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

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 80 MHz 4 4 8 12 12 1 -145 Instruments

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 38

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:

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 Tabla 11. Principales características microcontrolador TM4C123FH6PM

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.

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.

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

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. 43

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.

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: 45

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.

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: 47

 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

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.

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

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.

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. 52

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.

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. 54

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. 55

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).

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:

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 58 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.

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. 60

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). 61

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

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

63 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.

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)

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.

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

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, 68 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 69

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.

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.

Referencias

Atmel Corporation. (2012). Microcontrollers. Recuperado el Enero de 2014, de http://www- maintenace.atmel.com/default.asp?aspxerrorpath=/products/microcontrollers/default.asp x

Freescale Semiconductor. (2014). Microcontrollers. Recuperado el 1 de Enero de 2014, de http://www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?code=PCMCR01

Gutierrez, C. P. (2006). Teledeteccion nociones y aplicaciones. España: universidad de Salamanca.

Harper, G. E. (2004). El ABC del alumbrado y las instalaciones eléctricas en baja tensión. Mexico: Limusa S.A.

Microchip. (2014). PIC Microcontrollers. Recuperado el Enero de 2014, de https://www.microchip.com/pagehandler/en-us/products/picmicrocontrollers

NXP Semiconductors. (2006-2014). NXP Semiconductors. Recuperado el Enero de 2014, de LPC microcontrollers: Discover the difference: http://www.nxp.com/products/microcontrollers/

P. Pankaew, S. P. (19-21 de 03 de 2014). Estimating Photosynthetically Active Radiation using an Artificial Neural Network. IEEE, 4.

Renesas Electronics. (2010-2014). Renesas Electronics. Recuperado el Enero de 2014, de Microcontrollers (MCU) and Microprocessor (MPU): http://am.renesas.com/products/mpumcu/index.jsp?campaign=gn_prod

STMicroelectronics. (2013). STMicroelectronics. Recuperado el 2014, de Microcontrollers: http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141

Texas Instruments. (2014). Texas Instruments. Recuperado el 1 de Enero de 2014, de Overview for Microcontrollers: http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/overview.page

Texas Instruments Incorporated. (Octubre de 2013). System Design Guidelines for the TM4C123x Family of Tiva™ C Series Microcontrollers. Dallas, Texas, Estados Unidos.

Vega, C. P. (2006). Vision, Luz y color. Cantambria, España: Universidad de cantambria.

Almanza, E. (20 de 12 de 2012). Tesis Doctoral sistema hibrido de iluminación para el desarrollo de plantas aplicado en invernadero. Tesis Doctoral sistema hibrido de iluminación para el desarrollo de plantas aplicado en invernadero., 178. Granada, Granada, España: Editorial de la Universidad de Granada.

Cervantes, J. (2007). La biblia del cultivador. Barcelona: Van Patten Publishing. 72

El Tiempo. (19 de 02 de 2015). Déficit comercial marco un record en el 2014. Déficit comercial marco un record en el 2014.

Gliessman, S. (2002). Agroecología: procesos ecológicos en agricultura sostenible. Costa rica: litocat.

Grupo de investigación GIR-TADRUS. ETSI agrarias. (2010). Diodos emisores de luz para la irradiación en plantas. Diodos emisores de luz para la irradiación en plantas. Madrid, España: Universidad de Valladolid.

Iluminet. (04 de junio de 2014). Iluminet revista de iluminación ON LINE. Nevado, México DF, México. Obtenido de Iluminet revista de iluminación ON LINE: http://www.iluminet.com/leds-grow/

Inoled, B. (18 de 07 de 2014). InoLed Barcelona. Recuperado el 20 de 03 de 2015, de http://www.inoled.es/noticias-led/47-los-invernaderos-resultan-mas-eficientes-gracias-a- la-tecnologia-led

Jose R Lisarraje, P. B. (2010). Balance of photosynthetic active radiations in vineyard.

Siled. (s.f.). Siled. Recuperado el 24 de 06 de 2014, de Catalogo LEDs de Potencia: http://www.siled.com.mx/catalogos/potencia/files/leds%20de%20potencia.pdf

Universidad de Murcia. (s.f.). Universidad de Murcia. Recuperado el 01 de 04 de 2015, de http://www.um.es/atica/documentos/html.pdf

Universidad Politécnica de Valencia. (2011). Biología. Recuperado el 18 de 06 de 2014, de Fotosíntesis: http://www.etsmre.upv.es/varios/biologia/images/Figuras_tema11/figura11_15.jpg

Urria Carril, E. P. (2009). Fotosíntesis: Aspectos Básicos. Fotosíntesis: Aspectos Básicos. Madrid, España: Universidad de Madrid.

Vega, C. P. (2006). Visión, Luz y color. Cantabria, España: Universidad de Cantabria.

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 74

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

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

Código utilizado para la programación del microcontrolador: /*

int S1 = 32; VCC 3V3 int S2 = 33; GND GND int S3 = 34; S0 31 Selección para salida de escalado de int OEPin = 39; frecuencia int outPin = 40; S1 32 Selección para salida de escalado de frecuencia // constantes - ajustables si se presentan S2 33 Selección del tipo de fotodiodo lecturas pobres debido S3 34 Selección del tipo de fotodiodo // a ruido generado por otras fuentes de luz OE 39 habilitación de salida (active low) OUT 40 Salida-->Onda Cuadrada const int Rc = 100; //Responsividad relativa clara Opciones seleccionables const int Rr = 99; // Responsividad relativa ------roja S0 S1 Escalado de frecuencia de salida const int Rg = 65; // Responsividad relativa L L Apagado verde L H 2% const int Rb = 70; // Responsividad relativa H L 20% azul H H 100% /****------****/ /* s2 S3 Tipo de fotodiodo seleccionado L L Rojo ************************************* L H Azul ********************************** H L Sin filtro * SETUP CONFIGURACIÓN INICIAL H H Verde ************************************* ********************************** ************************************* */ ********************************** String inString = ""; * LIBRERIAS y CONSTANTES void setup() { configurarSerial(); ************************************* configurarSalidasPWM(); ********************************** configurarPinesSensor(); */ prenderLed(); boolean hab = false; }

/****Pines Lectura RGBW****/ void configurarSerial() { int pinR = 23; Serial.begin(9600); int pinG = 24; } int pinB = 25; int a=0; //int pinW = 26; int z=0; int R=1; int G=1; /****Pines Lectura RGBW****/ int B=1; int S0 = 31; void configurarSalidasPWM() { 77

pinMode(pinR, OUTPUT); // rojo void loop() pinMode(pinG, OUTPUT); // verde { pinMode(pinB, OUTPUT); // azul // pinMode(pinW, OUTPUT); // blanco if(a==0) } { serialSensor(); void configurarPinesSensor() delay(10); { Serial.flush(); pinMode(outPin, INPUT); // habilita puerto } de lectura pinMode(OEPin, OUTPUT); // habilita if (hab) encendido del sensor digitalWrite(OEPin, LOW);// Habilida el { escalado de frecuencia pinMode(S0, OUTPUT); // pin de delay(500); configuracion para escalado de frecuencia leeSerialRGBW2PC(); pinMode(S1, OUTPUT); // pin de inString=""; configuración para escalado de frecuencia Serial.flush(); digitalWrite(S0, HIGH);// escalado de a=0; frecuencia para 20% en combinación con S0 hab = false; 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 void leeSerialRGBW2PC() { configuración para selección del filtro de switch(leer()){ color case 1: } analogWrite(pinR, leerPuerto()); break; void prenderLed () case 2: { analogWrite(pinG, leerPuerto()); analogWrite(pinR, 30); break; analogWrite(pinG, 30); case 3: analogWrite(pinB, 30); analogWrite(pinB, leerPuerto()); } break; // case 'W': /* // analogWrite(pinW, leerPuerto()); // break; ************************************* } ********************************** } * LOOP BUCLE PRINCIPAL // lee el puerto serial int leer() ************************************* { ********************************** while (Serial.available()<=0) {} // verifica */ disponibilidad de dato char brightness; brightness = Serial.read(); int x; inString += (char)brightness; 78

if (brightness =='B') { { x=255; z=3; } if (x<=0) Serial.flush(); { return z; x=0; } } if (brightness =='R' ) if (z==1){R=x;} { if (z==1){G=x;} if (z==1){B=x;} Serial.flush(); z=1; return x; return z; } } if (brightness =='G') } { z=2; } Serial.flush(); return z; } void serialSensor() { return 0; Serial.flush(); } digitalWrite(S2, HIGH);// Se configura para /* tomar lectura sin filtro leer puerto toma los datos como caracteres digitalWrite(S3, LOW); y los convierte en int int cPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza retornando un numero entero, e cual se la lectura escribira sobre el puerto int Ac = cPulse * Rc;//ajusta lectura con el */ valor de responsividad relativa clara int leerPuerto() { Serial.flush(); a=1; digitalWrite(S2, LOW);// Se configura para delay(500); tomar lectura filtro rojo while (Serial.available()<=0) digitalWrite(S3, LOW); { int rPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza return 0; la lectura } int Ar = rPulse * Rr;// ajusta la lectura con el inString=""; valor de responsividad relativa roja while(a==1) int Cr = Ar - Ac; // aplica correccion para su { lectura clara brightness = Serial.read(); Serial.flush(); inString += (char)brightness; digitalWrite(S2, HIGH);// Se configura para delay (10); tomar lectura filtro verde x=inString.toInt(); digitalWrite(S3, HIGH); int gPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza if (brightness == ',') lectura { Serial.flush(); inString=""; int Ag = gPulse * Rg;// ajusta la lectura con el valor de responsividad relativa verde if(x>=255) 79

int Cg = Ag - Ac;// aplica correccion para su { lectura clara b = B * Cr / Cg; Serial.flush(); r = R * Cb / Cr; digitalWrite(S2, LOW);// Se configura para g = G * Cb / Cg; tomar lectura filtro azul } digitalWrite(S3, HIGH); else if (Cb < Cg && Cg < Cr) // orden del int bPulse = pulseIn(outPin, LOW);// realiza color RGB lectura { int Ab = bPulse * Rb;// ajusta la lectura con b = B * Cg / Cr; el valor de responsividad relativa azul g = G * Cb / Cg; int Cb = Ab - Ac; // aplica r = R * Cb / Cr; correccion para su lectura clara } Serial.flush(); //------Encuentra composición relativa Serial.println("\n\n\n\n"); de los colores en pasos de 0 a 255 ------Serial.print(" rPulse= - "+String(cPulse)); Serial.println("\n"); if (Cr < Cg && Cg < Cb)// orden del color Serial.print(" gPulse= RGB "+String(gPulse)); { Serial.println("\n"); r = R * Cg/ Cb; Serial.print(" bPulse= g = G * Cr / Cg; "+String(bPulse)); b = B * Cr / Cb; Serial.println("\n"); } Serial.print(" r= "+String(r)); else if (Cr < Cb && Cb < Cg)// orden del Serial.println("\n"); color RGB Serial.print(" g= "+String(g)); { Serial.println("\n"); r = R * Cb/ Cg; Serial.print(" b= "+String(b)); b = G * Cr / Cb; Serial.println("\n"); g = B * Cr / Cg; Serial.println(""); } Serial.println(" COLOR TIENDE A .. else if (Cg < Cr && Cr < Cb)// orden del color VERDE"); RGB Serial.println(""); { delay (500); g = G * Cr/Cb; r = R * Cg / Cr; } b = B * Cg / Cb; } void serialEvent() // INTERRUPCION DE else if (Cg < Cb && Cb < Cr)// orden del PUERTO POR LECTURA DE SERIAL color RGB { { g = G * Cb/ Cr; hab= true; b = B * Cg / Cb; r = R * Cg / Cr; } } else if (Cb < Cr && Cr < Cg)// orden del color RGB