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DISEO, CONTROL E IMPLEMENTACIN DE FACTORES CLIMTICOS Y
AMBIENTALES EN UNA CMARA PARA EL CULTIVO HIDROPNICO DE
LECHUGA
BARRERA PEA NICOLS FERNANDO
MALDONADO PEA JOHANN CAMILO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERA ELECTRNICABOGOT 2008
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DISEO, CONTROL E IMPLEMENTACIN DE FACTORES CLIMTICOS Y
AMBIENTALES EN UNA CMARA PARA EL CULTIVO HIDROPNICO DE
LECHUGA
BARRERA PEA NICOLS FERNANDO
MALDONADO PEA JOHANN CAMILO
Trabajo de grado como requisito para optar al ttulo de
Ingenieros Electrnicos
Asesor de proyecto:
Ing. Pedro Luis Muos
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURASEDE BOGOT
FACULTAD DE INGENIERA PROGRAMA DE INGENIERA ELECTRNICA
BOGOT 2008
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TABLA DE CONTENIDO
................................................................................................................................................3INTRODUCCIN................................................................................................................171.
PLANTEMIENTO DEL
PROBLEMA............................................................................20
1.1 ANTECEDENTES (ESTADO DEL
ARTE).....................................................................................20
1.1.1 Antecedente internacional. Cmaras de Cultivo: Existen
numerosas experiencias que se realizan en campos de biologa y
agronoma, que requieren de ambientes aislados con parmetros muy
controlados, tales como temperatura, humedad relativa, iluminacin,
renovacin de aire, control de gases (CO2), agitacin interior, etc.
Para tal propsito existe la cmara climtica de Whirlpool modelo 420.
Este modelo cuenta, en su versin completa, con: control de
temperatura, control de humedad relativa y ciclos de luz da /
noche, con el correspondiente reloj de tiempo real. A su vez, cada
ciclo de luz permite utilizar temperaturas de trabajo diferentes e
independientes. (Ver figuras 1, 2, 3, 4 y
5)..........................................20
1.1.2 Antecedente nacional. Cmara de fermentacin de bandejas:
Genera condiciones controladas de humedad y temperatura por encima
de las ambientales para la fermentacin de productos de panadera.
Las condiciones de temperatura y humedad se generan por medio de
resistencias elctricas. Una resistencia de inmersin produce el
vapor en una bandeja de agua de llenado manual. Un flujo de aire
generado por un ventilador ubicado en la pared lateral homogeniza
las condiciones dentro de la cmara. Su fabricante es Citalsa y su
modelo o referencia es CF 4 CF 6 (Ver figura
6).....................................................................21
Figura 6. Cmara de fermentacin de bandejas.
.........................................................................22
.....................................................................................................................................................22
Fuente.
http://www.citalsa.com/pdf/camara_fermentacion_4o6latas.pdf.................................22
1.1.3 Antecedentes USB: En la universidad San Buenaventura se
han realizado tres proyectos que tienen relacin con este tema, los
cuales se describen a
continuacin:............................22
1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACION DEL
PROBLEMA...................................................................22
1.4
JUSTIFICACIN.......................................................................................................................23
1.5 OBJETIVOS DE LA
INVESTIGACIN.........................................................................................24
1.5.1 Objetivo
general.............................................................................................................24
1.5.2 Objetivos
especficos......................................................................................................24
1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL
PROYECTO.........................................................................24
2. MARCO DE REFERENCIA
..........................................................................................252.1
MARCO TERICO CONCEPTUAL
..........................................................................................25
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2.1.1 Electrnica de control: En un sistema general se tienen una
serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado
planta y se disea un sistema para que, a partir de estas entradas,
modifique ciertos parmetros en el sistema, con lo que las seales
anteriores volvern a su estado ideal o deseado ante cualquier
variacin. (Ver figura 7).........................25
El control automtico es utilizado para realizar procesos
industriales donde existe una serie de pasos que se repiten, de
estos procesos buscan reducir costos al no tener que contratar mano
de obra especializada, de igual forma el control automtico
contribuye a la eliminacin de errores ya que se programa
previamente para que no existan. Este tipo de sistemas son muy
usados para controlar variables como la temperatura, humedad,
viscosidad, presin entre otras.
............................................................................................26
* Historia de los sistemas de control: El regulador de velocidad
centrfugo de James Watt en el siglo XVIII que se utiliz para
controlar la velocidad en una mquina de vapor, es el primer trabajo
que se conoci sobre ingeniera de control. Minorsky, Hanzen y
Nyquist, entre muchos otros, aportaron trabajos importantes en las
etapas inciales del desarrollo de la teora de control. El primero
de ellos demostr que la estabilidad poda determinarse por medio de
ecuaciones diferenciales que describieran el sistema basados en
leyes fsicas. En 1932, Nyquist dise un procedimiento relativamente
simple para determinar la estabilidad de sistemas en lazo cerrado,
con base en la respuesta en lazo abierto y en 1934 Hanzen diseo de
los servomecanismos con relevadores, capaces de seguir con precisin
una entrada cambiante. Durante la dcada de los cuarenta, los mtodos
de la respuesta en frecuencia hicieron posible que los ingenieros
disearan sistemas de control lineales en lazo cerrado que
cumplieran con los requerimientos de desempeo esperados. Estos
mtodos forman el ncleo de la teora de control clsica, conducen a
sistemas estables que satisfacen un conjunto ms o menos arbitrario
de requerimientos de desempeo. La teora del control clsica, que
trata de los sistemas con una entrada y una salida, pierde solidez
ante sistemas con entradas y salidas mltiples Desde 1960, debido a
la disponibilidad de las computadoras digitales hizo posible el
anlisis en el dominio del tiempo de sistemas complejos, la teora de
control moderna, basada en el anlisis en el dominio del tiempo y la
sntesis a partir de variables de estados, se ha desarrollado para
enfrentar la creciente complejidad de las plantas modernas y los
requerimientos limitativos respecto de la precisin, el peso y el
costo en aplicaciones militares, espaciales e industriales. De 1980
a la fecha, los descubrimientos en la teora de control moderna se
centraron en el control robusto. Ahora que las computadoras
digitales se han vuelto ms baratas y ms compactas, se usan como
parte integral de los sistemas de
control.......................................................................................................................26
2.1.2 Microcontrolador: Un microcontrolador es un circuito
integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales
de una computadora: CPU, memoria y unidades de E/S, es decir, se
trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Un
microcontrolador tpico tendr un generador de reloj integrado y una
pequea cantidad de memoria RAM y ROM, significando que para hacerlo
funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos cdigos de control
y un cristal de sincronizacin. Los microcontroladores
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disponen generalmente tambin de una gran variedad de
dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analgico a
digital, temporizadores, USARTs y buses de interfaz serie
especializados, como I2C. Frecuentemente, estos dispositivos
integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores
especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente
incluyen un lenguaje de programacin integrado, como el BASIC o C
que se utilizan bastante con este
propsito.........................................................27
Fuente.
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=68HC908AP16
(19 de ago. De 2008;
15:54)..............................................................28
2.1.3. Sensor: Un sensor es un dispositivo que detecta o sensa
manifestaciones de cualidades o fenmenos fsicos, como la energa,
velocidad, aceleracin, tamao, cantidad, etc. Es tambin un
dispositivo qu aprovecha una de sus propiedades con el fin de
adaptar la seal que mide para que la pueda interpretar otro
elemento.
.........................................................28
* Sensor de temperatura DS1820: El fabricante Dallas
Semiconductor ha diseado una familia de perifricos muy atractiva
para su uso con microcontroladores porque solo utiliza una lnea
para transferir datos denominada 1 wire bus bus de una lnea. Hay
una gran variedad de dispositivos compatibles con este protocolo,
uno de los ms populares es el termmetro digital DS1820. (Ver figura
9).........................28 * Principales caractersticas: La
temperatura es leda como un valor digital de 2 bytes que incluye el
signo, mide la temperatura desde -55 0C hasta +125 0C, requiere de
una nica lnea para la comunicacin mediante el 1 wire
bus............29 * Diagrama de bloques del DS1820: La figura 9
muestra el diagrama de bloques del DS1820. En l, se distinguen
todos sus componentes. ......................................29 *
Lectura de la temperatura: El sensor proporciona la lectura de
temperatura segn el formato BCD mostrado en la siguiente
tabla:.......................................................30
*Sensor de Humedad relativa HS1101: Basados en una nica clula
capacitiva, estos sensores de humedad relativa estn diseados para
grandes volmenes y aplicaciones de bajo costo como oficinas
automatizadas, cabinas de aviones, sistemas de mando de procesos
industriales. Tambin pueden utilizarse en todas las aplicaciones
donde la compensacin de humedad sea necesaria. (Ver figura
11)....31 *
Caractersticas:......................................................................................................31*
Rango mximo de operacin y caractersticas Ta = 25 0C. (Ver tabla 2 y
3).......31
2.1.4 Reloj calendario DS1307: Este es un reloj en tiempo real
RTC con las lneas de conexin de bus I2C. Este circuito integrado es
un poderoso reloj y calendario de tiempo real, que cumple
perfectamente con muchas de las necesidades normales en la
adquisicin y registro del tiempo. (Ver figura
12)..........................................................................................32
* Descripcin de los pines: (ver tabla
4)..................................................................33
* Principales
caractersticas.....................................................................................33*
Diagrama de conexin del DS1307: (ver figura
13)..............................................33 * Registros del
DS1307: Los registros del calendario se localizan en las
direcciones 00h hasta la 07h. Desde la 08h hasta la 3fh hay 56
posiciones de memoria RAM que pueden ser utilizadas para almacenar
datos. El valor del tiempo y calendario se obtiene mediante la
lectura de los registros apropiados.
..........................................34
5
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2.1.5 Comunicacin I2C: Diseado por Philips, este sistema de
intercambio de informacin a travs de tan solo dos cables permite a
circuitos integrados interactuar entre s a velocidades
relativamente lentas. Emplea comunicacin serie, utilizando un
conductor para manejar el timming y otro para intercambiar datos.
................................................................................34
2.1.6 Comunicacin 1-Wire: La red de comunicacin 1-Wire tambin
llamada red microlan, fue desarrollada por Dallas semiconductor
para conectar sus propios dispositivos, entre los cuales estn
contadores, memorias RAM, EEPROM, conversores A/D, sensores,
etc..............36
* Caractersticas de la red 1-Wire: Utiliza niveles de
alimentacin CMOS/TTL con un rango de operacin que abarca desde 2.8V
hasta 6V, tanto el maestro como los esclavos transmiten informacin
de forma bidireccional, pero solo en una direccin a la vez. De esta
manera la comunicacin es half dplex, toda la informacin es leda o
escrita comenzando por el bit menos significativo (LSB), la
alimentacin de los esclavos se puede hacer utilizando el voltaje
propio del BUS. Para ello, cada circuito esclavo posee un
rectificador e media onda y un capacitor. Durante los periodos en
los cuales no se efecta ninguna comunicacin, la lnea de datos se
encuentra en estado alto debido a la resistencia de pull-up: en esa
condicin, el diodo entra en conduccin y carga e capacitor. Cuando
el voltaje de la red cae por debajo de la tensin del capacitor, el
diodo se polariza en inverso evitando que el condensador se
descargue. La carga que queda almacenada en el capacitor alimentara
al circuito
esclavo....................................................................38
*Protocolo de comunicaciones 1-Wire: El protocolo 1-Wire es una
secuencia de transacciones de informacin, la cual se desarrolla
segn los siguientes pasos:......38 * Inicializacin: Todas las
comunicaciones en el bus, comienza con una secuencia de un pulso de
reset y presencia. El pulso de reset provee una forma limpia de
iniciar las comunicaciones, ya que, con el se sintonizan todos los
dispositivos esclavos presentes en el bus. Un reset es un pulso que
genera el maestro al colocar la lnea de datos en estado lgico bajo
por unos 480s. el pulso de presencia lo generan los esclavos para
indicarle al maestro que estn disponibles para cualquier operacin.
Consiste en colocar la lnea de datos en estado lgico bajo durante
un periodo de tiempo entre 60 y
240s..........................................................................39*
Transferencia de datos: La lectura y escritura de datos se hace por
medio de slots, la generacin de estos es responsabilidad del
maestro como un microcontrolador o un
computador...........................................................................................................39
* Deteccin de errores en la red 1-Wire: Cuando se transmite
informacin en forma serial, es necesario verificar la posible
existencia de errores que pudieran ocurrir durante la comunicacin.
Uno de los ms simples es colocar un bit extra a cada byte
transmitido de modo que el nmero de unos contenidos en el paquete
de 9 bits siempre sea par o impar. Este proceso se conoce como
verificacin de paridad y permite encontrar errores que ocurran en
un bit, pero no es confiable cuando se cambia ms de un bit dentro
del
byte........................................................................40
2.1.7. Programacin de microcontroladores: Microgrades es una
plataforma constituida por un conjunto de herramientas de alta
productividad que involucra el desarrollo de software, hardware y
metodologas de diseo en el proceso de desarrollo, fabricacin e
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implementacin de dispositivos microelectrnicos los cules son
utilizados en procesos productivos industriales comerciales y de
servicios. Para el desarrollo de un producto microelectrnico sea
cual fuere la aplicacin, es necesario conocer con alto grado de
experiencia, la arquitectura del Microcontrolador elegido y
lenguajes de programacin. Actualmente, las casas desarrolladoras de
Microcontroladores publican en el mercado una serie de herramientas
de software que facilitan el desarrollo de productos
microelectrnicos.
.................................................................................................................................................40
*Software: MGDSTART es un software que permite programar
microcontroladores por medio de una interface grfica. Con el uso de
este software, un usuario no necesita conocer a fondo sobre
lenguajes de programacin, ni sobre las arquitecturas de los
microcontroladores, para desarrollar dispositivos electrnicamente
controlados. Igualmente, por su programacin basada en objetos, los
usuarios expertos pueden desarrollar sus propios conos e inclusive,
mediante modelos de transferencia e
Investigacin..................................................................41
* Hardware: El Kit de desarrollo MICROGRADES es un equipo utilizado
para programar los diferentes Microcontroladores de la familia
HC908 de Motorola. El Kit est conformado por un conjunto de
tarjetas electrnicas, montadas en un chasis plstico que permite el
desarrollo de aplicaciones con un
microcontrolador..........412.1.8. Cultivo hidropnico: Los cultivos
hidropnicos surgen de los primeros trabajos de investigacin,
encaminados a conocer las necesidades nutritivas de las plantas. Se
conocen algunos trabajos desarrollados bajo sistemas de cultivo sin
suelo en 1666 por el cientfico Robert Boyle, que public el primer
experimento de cultivo en agua. A mediados del siglo XVII Van
Helmont pens que el agua es el factor de crecimiento ms importante
de los vegetales. Hasta mediados del siglo XVIII, tan slo hubo
pequeas experiencias realizadas por Woodward, Morceau y de
Saussure. De 1850 a 1860 se emplearon diversas tcnicas para
entender la nutricin de las plantas por Frst zu Salm Horsmar, Knop
y Sachs. Los cultivos hidropnicos tal y como es conocido en la
actualidad, fueron impulsados en 1930 por Universidad de
California. La hidropona es una tcnica de cultivo sin suelo. Las
plantas toman sus alimentos de las soluciones nutritivas
adecuadamente preparadas y suministradas en las cantidades
indicadas o necesarias; sus alimentos los elaboran autotrficamente
por procesos de fotosntesis y biosntesis. La produccin sin suelo
permite obtener lechugas de gran calidad y asegurar un uso ms
eficiente del agua y
fertilizantes........................................................................422.1.9.
Cultivos in vitro: El trmino cultivo in vitro es un trmino muy
genrico que se refiere ms bien a la metodologa usada que al propio
objetivo de ese mtodo. En sentido estricto, in vitro quiere decir
"dentro de vidrio", es decir, el cultivo de plantas o de alguna de
sus partes dentro de recipientes de vidrio en condiciones de
ambiente controlado.
................................................................................................44
2.2 MARCO LEGAL O
NORMATIVO.............................................................................................44
3.
METODOLOGA.............................................................................................................443.1
ENFOQUE DE LA
INVESTIGACIN...........................................................................................44
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3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD / CAMPO
TEMTICO DEL
PROGRAMA..................................................................................................................................45
3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE
INFORMACIN.....................................................................45
3.4 POBLACIN Y
MUESTRA.........................................................................................................46
3.5
HIPTESIS...............................................................................................................................47
3.6
VARIABLES.............................................................................................................................47
3.6.1 Variables Independientes: El tiempo, es la variable
independiente del proceso a desarrollar. Todos los controles
(temperatura, humedad relativa y luz) establecern valores
determinados para cada variable dependiendo la hora del da. Las 24
horas se dividieron en 4 rangos de 3 horas que se repiten partiendo
del ltimo al primero, una vez hayan finalizado los primeros 4. Esta
condicin se maneja debido a la exigencia de cambios en la
temperatura y humedad relativa entre da y noche que las plantas
como la lechuga requieren.................47
3.6.2 Variables Dependientes: La temperatura, la humedad
relativa y la iluminacin son las tres variables dependientes del
sistema. Cada una tendr valores establecidos para el control que
dependern de la hora del
da...........................................................................................47
4. DESARROLLO
INGENIERIL........................................................................................484.1.
DIAGRAMA DE
FLUJO............................................................................................................48
4.2. ANLISIS
INGENIERIL.............................................................................................................49
4.2.1 Anlisis de requerimientos del sistema: La produccin de
lechuga en invernaderos es influenciada por el clima en su
interior. Por esta razn hay que tener en cuenta que las variables
que pertenecen al clima deben estar en un rango determinado de
valores. En este problema de control intervienen las siguientes
variables: temperatura, humedad relativa e iluminacin. Adems se
tendrn variables de perturbacin y variables de control. (Ver figura
17)............................................................................................................................................49
* Temperatura: Este es uno de los parmetros ms importantes a
tener en cuenta en el control de ambiente dentro de una cmara de
cultivo o un invernadero, ya que es el que ms influye en el
crecimiento y desarrollo de las
plantas..............................51Una planta solo crece bajo
influencia de la luz, cuando realiza su fotosntesis requiere de
temperaturas altas. En las noches el cultivo no estar activo, razn
por la cual es conveniente un cambio de temperatura entre el da y
la noche, teniendo valores ms altos en las horas del da que de la
noche..............................................51 * Humedad
relativa: La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en
unidad de masa de aire. La humedad relativa es la cantidad de agua
contenida en el aire, en relacin con la mxima que sera capaz de
contener a la misma temperatura. Existe una relacin inversa de la
temperatura con la humedad relativa por consiguiente a elevadas
temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por
tanto disminuye la humedad relativa (HR). Con temperaturas bajas,
el contenido en HR
aumenta.........................................................................................52
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* Luz: La luz, definida como una forma de energa radiante que se
nos manifiesta mediante la visin es, en realidad, parte de un
fenmeno fsico ms amplio: la energa radiante (radiacin), que puede
ser descrita segn 2 modelos diferentes: el modelo ondulatorio
(radiacin electromagntica) y el modelo corpuscular. ...........53 *
La irradiacin: La cantidad de luz que incide sobre las superficies
fotosintticas de las plantas, determinar en gran medida la
capacidad fotosinttica de stas. Esta cantidad de luz puede ser
medida de formas diversas, bien midiendo la iluminacin de una
superficie; o bien midiendo la energa radiante que llega a una
superficie dada en un intervalo de tiempo.
...............................................................................53
* El espectro: La luz es esencial para las plantas debido a que
proporciona la energa necesaria para la fotosntesis. La clorofila y
los dems pigmentos fotosintticos captan la energa contenida en
diferentes radiaciones para incorporarla a las diversas reacciones
qumicas que constituyen el proceso. Pero la luz tambin puede
intervenir en otros procesos fisiolgicos, como el fototropismo, la
germinacin, la floracin, todos estos fenmenos no son producidos en
igual medida por todos los tipos de luz, sino que algunas
radiaciones concretas tienen un efecto notable mientras que otras
tiene poco o ningn efecto. Es por ello que es preciso conocer el
espectro de la radiacin que es activo en el proceso fisiolgico
estudiado. La cmara de cultivo deber reproducir lo mejor posible
ese espectro de luz activo, por lo tanto conviene conocer cul es el
espectro que emiten nuestras fuentes de luz y en qu medida se
adapta ste a las necesidades del cultivo. La luz juega un papel
fundamental en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Adems de
la fotosntesis, hay tres importantes procesos que afectan el
crecimiento y desarrollo del vegetal que dependen de la luz.
Primero, los mecanismos de fototropismo y movimientos nsticos que
responden fundamentalmente a la luz azul. Segundo, el
fotoperiodismo, es decir, la respuesta a las variaciones temporales
de la longitud durante el da. El fotoperiodismo es consecuencia de
la absorcin de luz por un pigmento presente en las plantas, el
fitocromo, que absorbe fundamentalmente luz roja. Finalmente, la
fotomorfognesis, es decir, el crecimiento y desarrollo de las
plantas directamente controlado por la luz, que por un lado
responde a la absorcin de luz azul de alta intensidad y por otro
tambin a la actividad del fitocromo estimulado con luz
roja.............................................................................................54
* Nutricin: La base del xito en hidropona es una buena nutricin
vegetal. Por esta razn, se necesitara una informacin detallada
sobre las necesidades nutritivas de la planta de lechuga. Sera
conveniente un programa de diagnstico que permita saber el nivel
nutricional de la planta en determinado momento, para poder
controlar los desbalances nutricionales del vegetal. Un mtodo muy
usado es el anlisis foliar dos veces por semana como medida
preventiva, para as corregir deficiencias va solucin nutritiva. Los
fertilizantes, en los cultivos hidropnicos, son disueltos en agua.
Para que las plantas puedan asimilar la solucin nutritiva, es
necesario que dichos fertilizantes sean de buena calidad. Los
fertilizantes de baja calidad traen muchas impurezas como: arcilla,
arena y partculas de limo, los cuales en la planta de lechuga
forman una capa en la zona radicular que impide la absorcin de
nutrientes en esta parte de la planta y causa obstruccin de las
lneas de alimentacin. (Ver tablas 8 y
9)...........................................................................57
9
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..................................................................................................................................58*
Nitrgeno (N) Es absorbido en forma de (NO3)- y
(NH4)+..................................59I)
Caractersticas........................................................................................................59
* Fsforo (P) La lechuga lo toma en forma de
P2O5..............................................59 * Potasio (K)
Las lechugas lo toman en forma de
K2O...........................................59 * Calcio (Ca) Es
absorbido en forma de
CaO..........................................................60 *
Magnesio (Mg) Las plantas lo absorben como
MgO............................................60 * Azufre
(S)..............................................................................................................61
* Cobre
(Cu).............................................................................................................61
* Boro
(B)................................................................................................................62*
Hierro
(Fe)..............................................................................................................62*
Manganeso
(Mn)....................................................................................................62*
Zinc
(Zn)................................................................................................................63
* Molibdeno
(Mo)....................................................................................................63
* Cloro
(Cl)..............................................................................................................64
* pH: Cuando se prepara un medio de cultivo, despus de aadir todos
sus componentes, se procede a ajustar el pH final al valor deseado.
El pH final del medio de cultivo es un factor importante por
diversas razones:...............................64
4.3 DISEO
INGENIERIL...............................................................................................................65
4.3.1 Diseo fsico de la cmara: Para disear la parte fsica de la
cmara de cultivo, se uso el programa de diseo Solidworks v18. Este
es un software muy verstil, potente y fcil de usar. Adems, con la
implementacin de especificaciones de antropometra se dimensiono el
mueble para que se acondicionara al tamao promedio de un ser
humano, para que haga el menor esfuerzo al extraer las lechugas.
Igualmente, los actuadores estarn ubicados en la parte superior de
la cmara de manera que las posibilidades de lastimarse se reducirn
considerablemente.
...............................................................................................................65
4.2.2 Diseo del sistema de control de temperatura: La
temperatura del aire es un elemento bioclimtico que favorece o
promueve el aumento de la masa vegetativa. El crecimiento de una
planta se detiene cuando la temperatura del aire desciende por
debajo de un cierto valor mnimo o excede un cierto valor mximo.
Entre estos lmites existe un rango ptimo, en el cual la tasa de
crecimiento es mayor. Estos valores o umbrales son conocidos como
temperaturas
cardinales...........................................................................................................66
* Modelo matemtico del sistema trmico: La transferencia de calor
sucede mediante tres modos: conduccin, conveccin y
radiacin......................................69 * Conduccin de
Fourier..........................................................................................69
* Ley de enfriamiento de
Newton............................................................................69
* Ley de Stefan
Boltzman........................................................................................70
* Diseo del circuito impreso para el control de temperatura: A
continuacin se presentara el circuito electrnico y la baquela
necesarios para la realizacin de la polarizacin del sensor DS1820,
para su posterior conexin con el microcontroldador. (Ver figura
23)...........................................................................71
10
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4.2.3. Diseo control de humedad relativa: La humidificacin es
una operacin unitaria en la que tiene lugar una transferencia
simultnea de materia y calor sin la presencia de una fuente de
calor externa. En operaciones como ebullicin, condensacin,
evaporacin o cristalizacin, las transferencias simultneas de
materia y calor pueden determinarse considerando nicamente la
transferencia de calor procedente de una fuente
externa...............................71
* Definiciones en la interaccin
aireagua...............................................................71*
Humedad absoluta: es la razn msica de vapor de agua respecto al
aire seco.....71* Humedad relativa: es la relacin molar entre la
cantidad de vapor de agua presente en el aire y la cantidad mxima
posible (saturacin) para esa temperatura:.............72* Calor
especfico (cP): Es el calor necesario para aumentar 1C a una unidad
de masa de una sustancia, a presin constante. Se tomaron los
valores medios de los calores especficos del agua y del aire entre
0C y 100C:.......................................72* Calor
especfico hmedo (cS): Es el cP de la mezcla gaseosa
aire-agua:..............72* Entalpa especfica del gas: calor
asociado a un gas a cierta temperatura y presin (referencia 0C y
agua
lquida):................................................................................72*
Entalpa especfica de saturacin: Es la entalpa del gas saturado de
humedad; la entalpa de saturacin es funcin de la temperatura, y
cumple la ecuacin:.............73* Condiciones de saturacin
adiabtica: Para el proceso mediante el cual se buscara que el gas
se sature, se har circular vapor de agua a lo largo del
humidificador; el vapor de agua entra en contacto directo con una
corriente de aire no saturado. Para que el proceso sea adiabtico ha
de cumplirse
que:..................................................73
4.2.4. Diseo control de luces: Para la realizacin de este
control se utilizaran diodos emisores de luz (Led) dispersos en
cuatro baquelas iguales distribuidas equidistantemente para
garantizar que las plantas reciban los espectros de luz que
requieren para la realizar la fotosntesis y as asegurar su mejor
crecimiento; diseadas de la siguiente manera: 50% de luz blanca 10
Led's, 30% de luz roja 6 Led's y 20% de luz azul 4 Led's; para un
total de 20 Leds por
baquela......................................................................................................................80
4.2.5 Nutricin y pH: Para alimentar las lechugas de la cmara de
cultivo, se utilizar una solucin nutritiva completa de uso
domestico que alimente a la planta, brindndole la totalidad de
componentes qumicos y en las cantidades adecuadas y que adems
estabilice el nivel del pH en el agua en un valor de 5.8
(1:200)....................................................................82
5. PRESENTACIN Y ANLISIS DE
RESULTADOS....................................................845.1
RESULTADOS DISEO CONTROLES
ELECTRONICOS...............................................................84
5.1.1 Resultados diseo control de temperatura: El control de
temperatura implementado en esta ocasin funciono muy bien, el
sensor DS1820 es un dispositivo muy fcil de implementar y que
entrega una seal fiable y fcil de manejar para el
microcontrolador............................84
Los actuadores que se manejaron para este control, fueron 2
ventiladores y una resistencia trmica. Los sistemas de potencia se
manejaron con optoacopladores rels de estado
slido..................................................................................................................................................84
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El sensor de temperatura utilizado se muestra a continuacin con
su respectiva visualizacin en un visualizador LCD de 2 x 16
lneas:...................................................................................84
5.1.2 Resultados diseo control de humedad: Para el control de
humedad fue necesaria una etapa de acondicionamiento de seal
realizada con un temporizador 555 como se muestra en la figura
32................................................................................................................................84
*Anlisis de resultados de los controles de temperatura y humedad
relativa: Los controles tuvieron un funcionamiento muy bueno y la
respuesta de los vegetales es muy notoria, ya que en el aspecto de
la lechuga al final del ciclo de cultivo es sobresaliente. La
lechuga obtenida es crocante, de un color verde intenso y muy
atractivo. Esto permite afirmar que cuando las plantas reciben un
paraso como habitad, su crecimiento es ms rpido y
mejor.........................................................87
5.1.3 Resultados diseo control de foto perodo: La apariencia
final de las lmparas Led se muestra a continuacin (ver figura
34):...................................................................................88
La fotonastia y el fototropismo que produjo el control hizo que
la lechuga realizara una buena fotosntesis y su aspecto fuera muy
bueno...............................................88* Anlisis de
resultados del control de iluminacin: El control del fotoperiodo se
realiz de acuerdo a las caractersticas de la planta de lechuga. El
tiempo que las plantas estuvieron expuestas a la luz de las lmparas
fue de 16 horas diarias, ya que la lechuga es una planta de da
largo. La iluminacin comenzaba a funcionar a las 5:00 AM y
finalizaba a las 9:00AM. Adems las lmparas emitirn una luz pulsante
con un periodo de 1ms, tiempo que para el ojo humano es
imperceptible pero para las plantas no. Esto con el fin de quela
planta no sufra deshidratacin y reciba las horas completas de
iluminacin que
necesita...........................................................89
5.1.4 Resultados del control de nutricin, oxigenacin y pH: El
control de nutricin resulto ser bastante sencillo ya que la solucin
nutritiva que se implemento contena en su totalidad los componentes
primarios y secundarios necesarios para las hortalizas. Estos
componentes se mezclan con agua en una relacin de 5cm3 / 1Lt de
agua. Para el cultivo que se realiz en la cmara, se utilizaron 20
litros de agua y 100cm3 de Nutri-Ponic que se suministraron cada 8
das que es el tiempo recomendado para inyectar nutrientes en el
sustrato...........................89
Este lquido fue oxigenado para que los nutrientes se mezclen
uniformemente y la absorcin de ellos sea ms sencilla para las
plantas de lechuga. Esta oxigenacin se llev a cabo cada inicio de
hora por un tiempo de 5 minutos. Si la oxigenacin del agua se hace
por encima de estos niveles la absorcin de nutrientes no ser la
ptima, adems aparecer en la raz de la planta una masa blanca
viscosa que oxida la planta y causara su posterior
muerte................89
* Anlisis de resultados de los controles de oxigenacin, nutricin
y pH: Los resultados fueron los esperados, esta solucin nutritiva
(Nutri-Ponic) es muy aconsejable para este tipo de cultivos, ya que
garantiza la nutricin ptima que las plantas necesitan. Esta solucin
nutre muy bien al vegetal y no le suministra componentes en exceso
adems gracias a su composicin qumica logramos estabilizar el nivel
de acides en el agua (pH) permitindole a las plantas recibir los
nutrientes que realmente necesita esta. Adems los periodos de
oxigenacin
12
-
escogidos para la solucin nutritiva permitieron mantener estable
tambin el pH en los valores deseados, puesto que con esta le
garantizamos a la solucin nutritiva los niveles de oxigenacin
requeridos por la
misma......................................................90
5.1.5 Resultados del cultivo de lechuga: Las lechugas que se
cultivaron en la cmara tuvieron la respuesta esperada, su aspecto
fue de hojas crocantes y de color verde morado agradable a la
vista. Adems, las lechugas tomaron una forma bien erguida y su
tallo resulto muy fuerte. Las races crecieron lo normal y sin
acumulaciones que impidieran la absorcin de
nutrientes.................................................................................................................................90
6.
CONCLUSIONES............................................................................................................947.
RECOMENDACIONES...................................................................................................95BIBLIOGRAFA...................................................................................................................96
AUTTROFO, FA: Organismo capaz de sintetizar o elaborar su propia
materia orgnica a partir de sustancias inorgnicas: las plantas que
tienen clorofila son seres auttrofos.....................97
La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad
de masa de aire. La humedad relativa es la cantidad de agua
contenida en el aire, en relacin con la mxima que sera capaz de
contener a la misma temperatura. Existe una relacin inversa de la
temperatura con la humedad relativa por consiguiente a elevadas
temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por
tanto disminuye la humedad relativa (HR). Con temperaturas bajas,
el contenido en HR
aumenta...................................................................................................................100La
HR del aire es un factor climtico que puede modificar el
rendimiento final de los cultivos. Cuando la HR es excesiva las
plantas reducen la transpiracin y disminuyen su crecimiento, se
producen abortos florales por coagulacin del polen y un mayor
desarrollo de enfermedades. Por el contrario, si es muy baja, las
plantas transpiran en exceso, pudiendo
deshidratarse.........................................................100La
luz, definida como una forma de energa radiante que se nos
manifiesta mediante la visin es, en realidad, parte de un fenmeno
fsico ms amplio: la energa radiante (radiacin), que puede ser
descrita segn dos modelos diferentes: el modelo ondulatorio
(radiacin electromagntica) y el modelo corpuscular.
......................101
Para la realizacin de este control se utilizaran diodos emisores
de luz (Led) dispersos en cuatro baquelas iguales distribuidas
equidistantemente para garantizar que las plantas reciban los
espectros de luz que requieren para la realizar la el proceso de
fotosntesis y absorcin de clorofila, para as asegurar su
crecimiento; diseadas de la siguiente manera: 50% de luz blanca 10
Led's, 30% de luz roja 6 Led's y 20% de luz azul 4 Led's; para un
total de 20 Led's por
baquela.................................................................................................101
Para alimentar las lechugas de la cmara de cultivo, se utilizar
una solucin nutritiva completa de uso domestico, que brindndole a
la planta la totalidad de componentes qumicos y en las cantidades
adecuadas y que adems al aplicar esta al agua del recipiente en el
cual se encuentra dicha solucin se estabilice el nivel de PH del
agua en un valor de 5.8. Nutri-Ponic es un concentrado o solucin
nutritiva completo para cultivos hidropnicos. . .102
DATOS SOBRE LA COMERCIALIZACIN Y EL
CULTIVO......................................107
13
-
14
-
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Exterior de la cmara. Figura 2. Interior de la
cmara.........................................20Figura 3. Exterior
de la cmara. Figura 4. Interior de la
cmara.......................................21Figura 5. Componentes
de la
cmara....................................................................................21Figura
7. Sistema de control bsico.
....................................................................................26Figura
8. Diagrama de pines microcontrolador Motorola
MC68HC908AP16.....................27Figura 9. Pines del
ds1820....................................................................................................28Figura
10. Diagrama de
bloques...........................................................................................29Figura
11. Clula
capacitiva..................................................................................................31Figura
12. Diagrama de conexiones del reloj
DS1307........................................................32Figura
13. Conexin del
ds1307...........................................................................................33Figura
14. Pulsos de reset y presencia para el inicio de sesin entre
maestro y esclavo......37Figura 15. Kit de desarrollo
MICROGRADES....................................................................41Figura
16. Diagrama de flujo del diseo del
proyecto..........................................................48Figura
17. Variables de
control.............................................................................................50Figura
18. Humidificador a
implementar..............................................................................53Figura
19. Espectros de absorcin de
clorofila.....................................................................55Figura
20. Planos de la cmara vista
trimtrica....................................................................66Figura
21. Temperaturas
cardinales......................................................................................67Figura
22. Temperaturas optimas y e activacin de los diferentes
actuadores.....................68Figura 23. Circuito impreso sensor
de temperatura DS1820
...............................................71Figura 24. Humedad
relativa (%) vs Temperatura (C)
.......................................................75Figura 25.
Esquema bsico del sistema humidificador a implementar.
...............................76Figura 26. Condiciones de la
interface en una torre de
humidificacin................................78Figura 27. Diagrama
de flujo controles de humedad y
temperatura.....................................79Figura 28.
Diagrama de flujo control de
iluminacin..........................................................80Figura
29. Circuito implementado en la iluminacin
Led....................................................81Figura 30.
Esquemtico del sistema de
iluminacin.............................................................81
..............................................................................................................................................81Figura
31. Nutri-Ponic y semillero de la cmara
climtica...................................................83Figura
32. Acondicionamiento de seal para el sensor
HS1101...........................................84Para
proporcionar un ciclo de trabajo cercano al 50%, el valor de R4
debe ser muy bajo comparado a R2. Esto es muy difcil de
conseguir...............................................................85El
sensor HS1101 funciona con una variacin de frecuencia para cada RH.
(Ver Tabla
13)...............................................................................................................................................85Figura
33. Visualizacin y sistemas de control de temperatura y humedad
relativa............86Figura 34. Resultado final lmparas
Led..............................................................................88Figura
35. Instalacin final de las lmparas Led en el
techo................................................88Figura 36.
Plantulacin de lechugas con 4 das despus de geminar.
..................................90Figura 37. Lechuga con 5
das..............................................................................................91Figura
38. Lechuga con 9
das..............................................................................................91Figura
39. Lechuga con 13 das
...........................................................................................91Figura
40. Lechuga con 17
das............................................................................................92
15
-
Figura 9. Plantulacin de lechugas con 4 das despus de
geminar....................................104LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Relacin entre la temperatura y el contenido de los
registros para el
DS1820............................................Error: No se
encuentra la fuente de referencia9Tabla 2. Rango de
operacin..................................................................................20Tabla
3. Principales caractersticas.2Error: No se encuentra la fuente de
referenciaTabla 4. Pines del reloj
DS1307..............................................................................22Tabla
5. Registros del
DS1307.............................................................................23Tabla
6. Comandos de ROM comnmente utilizados en comunicacin
1-wire...28Tabla 7. Ventajas de la hidropona frente a los cultivos
en tierra..........3Error: No seencuentra la fuente de
referenciaTabla 8. Valores crticos. Rangos adecuados, valores
altos, valores txicos de micronutrientes para
lechuga.................................................................................46Tabla
9. Valores crtico. Rangos adecuados, valores altos, valores txicos
de macronutrientes para
lechuga................................................................................46Tabla
10. Distribucin de diodos Led en la
baquela...............................................69Tabla 11.
Concentracin de elementos del Nutri-Ponic. . .7Error: No se
encuentra lafuente de referenciaTabla 12. Valores de resistencias
R! y R2 para frecuencia de 6660Hz y 55%RH. 73Tabla 13.
Caractersticas tpicas de
salida..............................................................74
16
-
INTRODUCCIN
La necesidad que tiene el hombre de alimentarse ha existido
desde la aparicin del mismo. Durante su proceso evolutivo, la
humanidad valindose de su capacidad de razonar, crea continuamente
diferentes soluciones a los distintos problemas que se le
presentan, logrando ser cada vez ms eficientes.
La tecnologa hoy da en el sector agroindustrial, es una
herramienta que facilita una automatizacin y un control electrnico
ptimos de los diferentes factores que afectan los cultivos de
lechuga. Tambin es esencial en las operaciones industriales como el
control de presin, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las
industrias de proceso.
La produccin de cultivos bajo invernadero es una de las tcnicas
ms modernas que se utilizan actualmente en la produccin
agrcola.
La ventaja del sistema de invernadero sobre el mtodo tradicional
a cielo abierto, es que, bajo invernadero, se establece una
interaccin entre el medio ambiente externo y el cultivo. Esta
interaccin fija un microclima que permite proteger el cultivo del
viento, lluvia, plagas, enfermedades, hierbas y animales.
Igualmente, esta proteccin permite al agricultor controlar la
temperatura, la cantidad de luz y aplicar efectivamente control
qumico y biolgico para proteger el cultivo.
De acuerdo con esta premisa, se disear e implementar un sistema
de cultivo hidropnico en cmara controlado electrnicamente, enfocado
a las necesidades especficas de la planta de lechuga, capaz de
identificar y las diferentes variables que intervienen durante la
siembra, como son: intensidad y color de luz, temperatura, humedad
relativa y nutricin. Estos controles sern diseados con el
dispositivo de Freescale MC68HC908AP16 utilizando el software
Microgrades Plus
Este control electrnico estar compuesto de varios bloques. El
primero de ellos es la interfaz, con ella se podr actualizar fecha
y hora. Adems, tendr un interruptor que permitir encender o apagar
el control, otro para visualizar el
17
-
estado de las variables que intervienen en los controles de
temperatura y de humedad relativa (set-point1, variable, estado de
PWM, error, etc.). El segundo bloque lo conforman los controles de
temperatura, y humedad relativa. Estas variables sern medidas por
sensores y estabilizados por una resistencia calefactora y dos
ventiladores para la temperatura y para la humedad se har uso de un
humidificador y un ventilador.
El control del fotoperiodo estar compuesto por cuatro pantallas
led que se encendern en dos rangos especficos de tiempo (16 horas
de luz) para satisfacer la necesidad de la planta. La oxigenacin de
la solucin nutritiva ser controlada automticamente, activando una
motobomba por periodos de 5 minutos cada cambio de hora.
La nutricin la planta se har manualmente suministrndole la
solucin nutritiva necesaria, en las cantidades correctas segn los
datos recolectados para el desarrollo del cultivo hidropnico.
Aunque la presencia de un generador de CO2 en la cmara ayudara a la
planta a realizar sus procesos de fotosntesis, no se tendr en
cuenta ya que involucra un aumento elevado en los costos de
fabricacin de la mquina de cultivo.
Con el xito de este proyecto se brindar una innovadora solucin a
los problemas que presentan el clima, las enfermedades o plagas y
otros factores ambientales por los cuales se ven afectados los
sistemas de cultivo tradicional; tambin, se presentar una nueva
forma de cultivar, sin importar la poca del ao, condiciones del
suelo, posicin geogrfica y dems factores medioambientales, ya que
la planta tendr un ambiente seguro y controlado durante su
desarrollo. Cabe anotar que la cmara de cultivo de lechuga a
desarrollar, se enfoca solamente en el rea de la domtica y a
realizar cultivos caseros de pequea escala, dado esto al modelo
ideado de construccin. No obstante es posible modificar el tamao de
los sistemas de control y actuadores, para obtener producciones
mayores ya que el cultivo bajo invernadero siempre ha permitido
obtener buenas producciones, de calidad y mayores rendimientos, a
la vez que permiten acortar el ciclo de cultivo y alargar el
precio. Este incremento del valor de los productos permite que el
agricultor pueda invertir tecnolgicamente en su explotacin
mejorando la estructura del invernadero, los sistemas de riego, los
sistemas de control del clima, etc. Dependiendo de lo anteriormente
descrito, de una gran extensin de tierra.
1 Es la cantidad deseada de la variable a controlar.
18
-
El beneficio ms significativo que tendr el producto final, es de
disminuir el ciclo de cultivo, ya que un cultivo tradicional al
aire libre dura aproximadamente 70 das y bajo invernadero 45 das.
En la cmara de cultivo hidropnico, ser posible obtener lechugas
ptimas para el consumo en un plazo que oscila entre los 35 a 40
das, logrando tener un producto confiable al comerlo. Esta
disminucin del ciclo, permite generar ms producciones en el mismo
lapso de tiempo y con mejor calidad, pues los controles
implementados generarn un clima inmejorable que le permite crecer
ms rpido y con mejor aspecto al vegetal.
19
-
1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES (ESTADO DEL ARTE)
El control climtico para crecimiento de hortalizas en
invernaderos o generacin de microclimas, se desarrollado mucho en
los ltimos aos. A continuacin se muestran antecedentes sobre estos
temas.
1.1.1 Antecedente internacional. Cmaras de Cultivo: Existen
numerosas experiencias que se realizan en campos de biologa y
agronoma, que requieren de ambientes aislados con parmetros muy
controlados, tales como temperatura, humedad relativa, iluminacin,
renovacin de aire, control de gases (CO2), agitacin interior, etc.
Para tal propsito existe la cmara climtica de Whirlpool modelo 420.
Este modelo cuenta, en su versin completa, con: control de
temperatura, control de humedad relativa y ciclos de luz da /
noche, con el correspondiente reloj de tiempo real. A su vez, cada
ciclo de luz permite utilizar temperaturas de trabajo diferentes e
independientes. (Ver figuras 1, 2, 3, 4 y 5)
Figura 1. Exterior de la cmara. Figura 2. Interior de la
cmara.
Fuente. http://www.figursa.com/camaras.php (5 de sep. de 2007;
15:55)
20
http://www.figursa.com/camaras.php%20%5C(5)>>>>endobj
773 0 obj
endobj
774 0 obj
endobj
775 0 obj
endobj
776 0 obj
endobj
777 0 obj
endobj
778 0 obj
endobj
779 0 obj
endobj
780 0 obj
endobj
781 0 obj
endobj
782 0 obj
endobj
783 0 obj
endobj
784 0 obj
endobj
785 0 obj
endobj
786 0 obj
endobj
787 0 obj
endobj
788 0 obj
endobj
789 0 obj
endobj
790 0 obj
endobj
791 0 obj
endobj
792 0 obj
endobj
793 0 obj
endobj
794 0 obj
endobj
795 0 obj
endobj
796 0 obj
endobj
797 0 obj
endobj
798 0 obj
endobj
799 0 obj
endobj
800 0 obj
endobj
801 0 obj
endobj
802 0 obj
endobj
803 0 obj
endobj
804 0 obj
endobj
805 0 obj
endobj
806 0 obj
endobj
807 0 obj
endobj
808 0 obj
endobj
809 0 obj
endobj
810 0 obj
endobj
811 0 obj
endobj
812 0 obj
endobj
813 0 obj
endobj
814 0 obj
endobj
815 0 obj
endobj
816 0 obj
endobj
994 0 obj
endobj
995 0 obj
endobj
xref0 9960000000000 65535 f 0002020559 00000 n 0000000019 00000
n 0000000839 00000 n 0002020705 00000 n 0000000859 00000 n
0000001916 00000 n 0002020851 00000 n 0000001936 00000 n 0000005047
00000 n 0002021184 00000 n 0000005068 00000 n 0000008967 00000 n
0002021431 00000 n 0000008989 00000 n 0000013010 00000 n 0002021838
00000 n 0000013032 00000 n 0000016927 00000 n 0002022173 00000 n
0000016949 00000 n 0000020721 00000 n 0002022468 00000 n 0000020743
00000 n 0000024302 00000 n 0002022843 00000 n 0000024324 00000 n
0000027913 00000 n 0002023098 00000 n 0000027935 00000 n 0000031308
00000 n 0002023521 00000 n 0000031330 00000 n 0000035251 00000 n
0002023936 00000 n 0000035273 00000 n 0000039219 00000 n 0002024279
00000 n 0000039241 00000 n 0000043328 00000 n 0002024646 00000 n
0000043350 00000 n 0000043534 00000 n 0002024794 00000 n 0000043555
00000 n 0000046425 00000 n 0002024942 00000 n 0000046447 00000 n
0000048335 00000 n 0002025293 00000 n 0000048357 00000 n 0000051264
00000 n 0002025441 00000 n 0000051286 00000 n 0000054846 00000 n
0002025608 00000 n 0000054868 00000 n 0000056030 00000 n 0002025756
00000 n 0000056052 00000 n 0000058204 00000 n 0000080374 00000 n
0000058226 00000 n 0002025923 00000 n 0000093787 00000 n 0000095396
00000 n 0000125049 00000 n 0000110289 00000 n 0000095418 00000 n
0002026098 00000 n 0000138868 00000 n 0000141580 00000 n 0000141602
00000 n 0002026265 00000 n 0000149660 00000 n 0000153208 00000 n
0002026413 00000 n 0000153230 00000 n 0000155928 00000 n 0002026561
00000 n 0000155950 00000 n 0000159267 00000 n 0002026709 00000 n
0000159289 00000 n 0000162976 00000 n 0000162998 00000 n 0002026884
00000 n 0000173274 00000 n 0000176414 00000 n 0000176436 00000 n
0000200474 00000 n 0002027115 00000 n 0000200497 00000 n 0000203272
00000 n 0000203294 00000 n 0000214099 00000 n 0002027314 00000 n
0000214122 00000 n 0000216895 00000 n 0000216917 00000 n 0000236983
00000 n 0002027481 00000 n 0000237007 00000 n 0000239432 00000 n
0000239455 00000 n 0000254006 00000 n 0002027658 00000 n 0000254030
00000 n 0000255949 00000 n 0000255972 00000 n 0000257421 00000 n
0002027827 00000 n 0000257444 00000 n 0000258907 00000 n 0000298236
00000 n 0000258930 00000 n 0000298212 00000 n 0000311655 00000 n
0002028012 00000 n 0000311679 00000 n 0000314485 00000 n 0000314508
00000 n 0000318248 00000 n 0002028181 00000 n 0000318271 00000 n
0000319836 00000 n 0000335203 00000 n 0000319859 00000 n 0000335179
00000 n 0000341481 00000 n 0002028358 00000 n 0000341504 00000 n
0000344802 00000 n 0002028535 00000 n 0000344825 00000 n 0000348419
00000 n 0002028685 00000 n 0000348442 00000 n 0000351756 00000 n
0002028835 00000 n 0000351779 00000 n 0000354684 00000 n 0000354707
00000 n 0000367071 00000 n 0002029004 00000 n 0000367095 00000 n
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0002131767 00000 n 0002131956 00000 n 0002132273 00000 n 0002132598
00000 n 0002132887 00000 n 0002133200 00000 n 0002133369 00000 n
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00000 n 0002134208 00000 n 0002134393 00000 n 0002134562 00000 n
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00000 n 0002140768 00000 n 0002140981 00000 n 0002141226 00000 n
0002141443 00000 n 0002142611 00000 n 0002144500 00000 n 0002144772
00000 n 0002145197 00000 n 0002145950 00000 n 0002146947 00000 n
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trailer
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-
Figura 3. Exterior de la cmara. Figura 4. Interior de la
cmara.
Fuente.
http://www.criba.edu.ar/cribabb/servicios/secelec/camara.htm (6 de
sep. de 2007; 20:43)
Figura 5. Componentes de la cmara.
Fuente.
http://www.criba.edu.ar/cribabb/servicios/secelec/camara.htm (6 de
sep. de 2007; 20:45)
1.1.2 Antecedente nacional. Cmara de fermentacin de bandejas:
Genera condiciones controladas de humedad y temperatura por encima
de las ambientales para la fermentacin de productos de panadera.
Las condiciones de temperatura y humedad se generan por medio de
resistencias elctricas. Una resistencia de inmersin produce el
vapor en una bandeja de agua de llenado manual. Un flujo de aire
generado por un ventilador ubicado en la pared lateral homogeniza
las condiciones dentro de la cmara. Su fabricante es Citalsa y su
modelo o referencia es CF 4 CF 6 (Ver figura 6).
21
http://www.criba.edu.ar/cribabb/servicios/secelec/camara.htmhttp://www.criba.edu.ar/cribabb/servicios/secelec/camara.htm
-
Figura 6. Cmara de fermentacin de bandejas.
Fuente.
http://www.citalsa.com/pdf/camara_fermentacion_4o6latas.pdf
1.1.3 Antecedentes USB: En la universidad San Buenaventura se
han realizado tres proyectos que tienen relacin con este tema, los
cuales se describen a continuacin:
Diseo e implementacin de un control de temperatura y monitoreo
de seales para la automatizacin de equipos de refrigeracin. Hecho
por Joanna Catalina Garca muoz para optar al ttulo de Ingeniera
electrnica.
Diseo de un sistema que permita medir, controlar y generar
reportes de temperatura desde una maquina sopladora TCB70D hacia el
PC. Hecho por Andrea Marcela Gutirrez Yara para optar al ttulo de
Ingeniera electrnica.
Diseo y construccin de un prototipo para la supervisin de un
invernadero a travs de internet. Hecho por Jeana Marcela Ramrez
Santos.
1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACION DEL PROBLEMA
Los cambios climticos, el calentamiento global, las estaciones
del ao, los suelos ridos, las zonas desrticas y/o rticas, los
sitios con espacio reducido, las plagas y enfermedades, entre
otros; son la principal razn por la cual no se puede sembrar
plantas, estas situaciones tambin hacen parte del deterioro de todo
tipo de cultivos. En consecuencia, la calidad de los productos, el
precio y la facilidad de producirlos, se hacen ms significativos y
dispendiosos. Adems, los cultivos generalmente son hechos en
exteriores y utilizando grandes extensiones de tierra para obtener
grandes producciones, este proyecto de cmara climtica estar
orientado a promover la agricultura urbana en espacios interiores y
reducidos,
22
http://www.citalsa.com/pdf/camara_fermentacion_4o6latas.pdf
-
para que las personas no necesiten comprar sus alimentos, si no
que los puedan cultivar en los lugares de su hogar que no estn
siendo bien aprovechados.
Este proyecto se desarrolla con la implementacin de una cmara
climatizada, que ofrece un ambiente seguro, controlado y libre de
bacterias, para que la planta crezca en ptimas condiciones y adems
se tengan productos en tiempos ms cortos y con estndares de calidad
fiables. Esto permitir realizar un incremento en el valor de la
lechuga en el momento de realizar grandes producciones con fines
comerciales.
Para disear los controles de los factores medioambientales al
interior de una maquina de cultivo, se utilizar informacin de los
valores especficos de temperatura (entre 6C y 22C), humedad
relativa (entre 60% y 80%), fotoperiodo (largo, de 16 horas);
tomando como base los climas y las necesidades nutricionales en las
cuales la lechuga se desarrolla exitosamente. De acuerdo a las
especificaciones climticas anteriormente descritas, se disear,
ajustaran y acondicionarn electrnicamente a la perfeccin las
necesidades de la planta. Dichos dispositivos contaran con
actuadores que estabilizaran las seales sensadas a los niveles
requeridos por la planta. Ventiladores, resistencias de calefaccin,
sensores, humidificadores, entre otros sern los dispositivos
necesarios para controlar el clima al interior de la cmara.
1.4 JUSTIFICACIN
Las zonas no aptas para el cultivo, la inestabilidad en los
factores climticos (estaciones del ao), las enfermedades que
afectan los cultivos, la difcil prediccin del clima, animales,
lluvias, sequias y dems variables que afectan el desarrollo de una
planta y que de alguna forma afectan el medio en el cual sta vive,
es el motivo que justifica la implementacin de dichas cmaras.
El proyecto es una interesante alternativa para superar estos
percances climticos y medioambientales, ya que con el diseo de
sistemas electrnicos se controlaran las variables ms determinantes
en el desarrollo de una planta, logrando solucionar las
dificultades anteriormente expuestas de una manera prctica,
sencilla y eficaz. Las cmaras de cultivo permiten realizar siembras
de distinto tipo, en cualquier estacin del ao, sin importar las
condiciones climticas que se tengan en el lugar donde se viva.
Adems, este tipo de unidad controlara las variables que interfieren
en el crecimiento de la planta de una manera inteligente, ya que el
dispositivo poseer sistemas de control de temperatura, humedad,
23
-
iluminacin y oxigenacin de la solucin nutritiva; que intervienen
en el crecimiento de la planta, ofreciendo al vegetal recursos ms
apropiados.
Los controles electrnicos con los que se estabilizaran las
variables al interior de la cmara, brindarn nuevas herramientas
electrnicas y tecnolgicas para el manejo de dispositivos
microcontrolados de medicin (sensores) y para el manejo de
dispositivos de potencia que controlarn y amplificarn las seales
enviadas por el microcontrolador a los actuadores que finalmente
pondrn en los valores especficos las variables requeridas para la
automatizacin de procesos agroindustriales.
1.5 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN
1.5.1 Objetivo general
Disear, controlar e implementar los factores climticos y
ambientales electrnicamente al interior de una cmara para el
cultivo hidropnico de lechuga.
1.5.2 Objetivos especficos
Analizar las caractersticas climticas requeridas por la lechuga
durante su cultivo.
Disear los sistemas electrnicos de control de temperatura,
humedad, fotoperiodo y tipo de luz requerida por la planta.
Plantear un sistema de hidrocultivo que se acondicione a las
medidas de la cmara, ideada para ser implementada en domtica.
Construir la maquina, para la visualizacin del proyecto.
Implementar los sistemas electrnicos de control. Realizar las
pruebas necesarias.
1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
Al construir una cmara para cultivo se busca controlar las
principales necesidades que tiene una planta para lograr su
desarrollo, la expectativa de esta, es que cumpla con la calidad
esperada por el consumidor.
Con este proyecto se pretende brindar a las plantas el control
de las principales variables climticas que intervienen en su
crecimiento (temperatura, humedad relativa iluminacin), como
tambin: oxigenacin de la solucin nutritiva;
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-
mediante el sistema de cultivo de raz flotante para tener un
buen producto, iluminacin LED que ahorrara energa y brindar al
vegetal nicamente el espectro que requiere en sus procesos
fotosintticos.
El proyecto culminar con la entrega y sustentacin de la maquina
desarrollada que constar de un visualizador LCD en la parte frontal
superior de la cmara que indica la hora, temperatura, fecha y
humedad relativa respectivamente.
Para controlar la temperatura se utilizaran dos ventiladores y
una resistencia calefactora que mantendrn la temperatura en el
rango optimo para la lechuga (6oC a 22oC), para el control de
humedad se utilizara un humidificador (60 % - 80% HR) y la misma
resistencia que hace parte del control de temperatura, cuatro
pantallas LED que cuentan con un control horario de encendido y
apagado adems de una pulsacin que optimiza el desarrollo de las
plantas (1mseg por 16 horas). Tambin la cmara cuenta con una
motobomba que se encarga de oxigenar la solucin nutritiva durante
cinco minutos cada hora.
El exterior de la cmara ser construido con tablex, una lmina de
madera que tiene como dimensiones 2,54 x 1, 52 m. esta lmina se
dividir en tres partes de 0,7 x 1, 52m. Dos de las tres lminas
tendrn aberturas circulares de 12cm de dimetro en la parte
superior, una en la parte derecha y la otra en la izquierda. El
radio en la arista inferior interna de un cuadrado de 16cm de lado
que se forma en la arista de la lmina donde se abrir la rendija
respectiva. La lamina restante formara la parte trasera, all sern
ensambladas las dos laminas restantes a lado y lado. En su interior
habr un cajn de madera con dimensiones 50 x 50 x 20 cm para
albergar el cultivo. Este ser de 4 plntulas en pequeas balsas
flotantes de icopor con 3cm de espesor y 22 x 22 cm en sus
lados.
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO TERICO CONCEPTUAL
2.1.1 Electrnica de control: En un sistema general se tienen una
serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado
planta y se disea un sistema para que, a partir de estas entradas,
modifique ciertos parmetros en el sistema, con lo que las seales
anteriores volvern a su estado ideal o deseado ante cualquier
variacin. (Ver figura 7).
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-
Figura 7. Sistema de control bsico.
Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_control
(7 de ago. de 2007; 16:24)
El control automtico es utilizado para realizar procesos
industriales donde existe una serie de pasos que se repiten, de
estos procesos buscan reducir costos al no tener que contratar mano
de obra especializada, de igual forma el control automtico
contribuye a la eliminacin de errores ya que se programa
previamente para que no existan. Este tipo de sistemas son muy
usados para controlar variables como la temperatura, humedad,
viscosidad, presin entre otras.
* Historia de los sistemas de control: El regulador de velocidad
centrfugo de James Watt2 en el siglo XVIII que se utiliz para
controlar la velocidad en una mquina de vapor, es el primer trabajo
que se conoci sobre ingeniera de control. Minorsky, Hanzen y
Nyquist, entre muchos otros, aportaron trabajos importantes en las
etapas inciales del desarrollo de la teora de control. El primero
de ellos demostr que la estabilidad poda determinarse por medio de
ecuaciones diferenciales que describieran el sistema basados en
leyes fsicas. En 1932, Nyquist dise un procedimiento relativamente
simple para determinar la estabilidad de sistemas en lazo cerrado,
con base en la respuesta en lazo abierto y en 1934 Hanzen diseo de
los servomecanismos con relevadores, capaces de seguir con precisin
una entrada cambiante. Durante la dcada de los cuarenta, los mtodos
de la respuesta en frecuencia hicieron posible que los ingenieros
disearan sistemas de control lineales en lazo cerrado que
cumplieran con los requerimientos de desempeo esperados. Estos
mtodos forman el ncleo de la teora de control clsica, conducen a
sistemas estables que satisfacen un conjunto ms o menos arbitrario
de requerimientos de desempeo. La teora del control clsica, que
trata de los sistemas con una entrada y una salida, pierde solidez
ante sistemas con entradas y salidas mltiples Desde 1960, debido a
la disponibilidad de las computadoras digitales hizo posible el
anlisis en el dominio del tiempo de sistemas complejos, la teora de
control moderna, basada en el anlisis en el dominio del tiempo y la
sntesis a partir de variables de estados, se ha
2 Ingeniero britnico que realiz grandes aportes a la mquina de
vapor de Newcomen, creando la mquina de vapor para usos
industriales.
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http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_control
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desarrollado para enfrentar la creciente complejidad de las
plantas modernas y los requerimientos limitativos respecto de la
precisin, el peso y el costo en aplicaciones militares, espaciales
e industriales. De 1980 a la fecha, los descubrimientos en la teora
de control moderna se centraron en el control robusto. Ahora que
las computadoras digitales se han vuelto ms baratas y ms compactas,
se usan como parte integral de los sistemas de control.
2.1.2 Microcontrolador: Un microcontrolador es un circuito
integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales
de una computadora: CPU, memoria y unidades de E/S, es decir, se
trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Un
microcontrolador tpico tendr un generador de reloj integrado y una
pequea cantidad de memoria RAM y ROM, significando que para hacerlo
funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos cdigos de control
y un cristal de sincronizacin. Los microcontroladores disponen
generalmente tambin de una gran variedad de dispositivos de
entrada/salida, como convertidores de analgico a digital,
temporizadores, USARTs y buses de interfaz serie especializados,
como I2C. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser
controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los
modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de
programacin3 integrado, como el BASIC o C que se utilizan bastante
con este propsito.
En la realizacin del proyecto se utilizara el microcontrolador
Freescale MC68HC908AP16, que se encuentra fcilmente en el mercado y
es de muy bajo costo. (Ver la figura 8).
Figura 8. Diagrama de pines microcontrolador Motorola
MC68HC908AP16.
3 Generalmente se usa el lenguaje ensamblador o C para pro
