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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

“DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE INVERNADERO DE JITOMATE TIPO

BOLA, CONTROLADO POR COMUNICACIÓN INALÁMBRICA.”

PARA OBTENER EL TITTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Bravo Díaz Noé

Huerta Espinoza Luis Modesto

Silva Barranco Josué

ASESOR:

Ingeniero Fernando Cruz Martínez

México D.F. Octubre 2014.

INDICE

AGRADECIMIENTOS…………………………………………………………………………………………………………. I

OBJETIVO………………………………………………………………………………………………………………………… II

JUSTIFICACION……………………………………………………………………………………………………………….. III

INTRODUCCIÓN………………………………………………………..………………………………………..…………... IV

CAPITULO 1

CONCEPTOS GENERALES

1.1.- Historia del invernadero...………………………………………………………………………………….…….. 2

1.2.- Definición de invernadero…….………………………..………………………………………………………… 3

1.3.- Tipos de Invernaderos……………..……………………………………………………………………………..… 4

1.3.1.- Invernadero tipo túnel…….………………………………………………………………………... 5

1.3.2.- Invernadero Capilla…………………………………………………………………………………… 6

1.3.3.- Invernadero en diente de sierra…….………………………………………………………..… 7

1.3.4.- Invernadero con techumbre curva…….……………………………………………………… 9

1.3.5.- Invernadero tipo Parral………….……………….…………………………………….………… 10

1.3.6.- Invernadero tipo Venlo……………………………………………………………………………. 11

1.4.- Selección del Invernadero para prototipo………………………………………………………………. 12

1.4.1.- Condiciones que debe reunir invernadero………………………………………………. 12

1.5.- Jitomate.……………………………………………………………………………………………………………….… 14

1.5.1- Elección de Jitomate…………….……………………………………………………….…………. 14

1.5.2.- Especificaciones del Jitomate………………………………………………………………….. 15

1.5.2.- Jitomate tipo Saladette…………………………………………………………………………... 16

1.5.3.- Jitomate tipo Bola….…………………………………………………………………................ 17

1.6.- Condiciones determinantes para un buen desarrollo en la planta de jitomate……….. 19

1.6.1.- Parámetros indispensables para el control en el prototipo……………………… 19

CAPITULO 2

ESPECIFICACIONES DEL CULTIVO

2.1.- Siembra…………………………………………………………………………………………….…………………….… 22

2.2.- Germinación………………………………………………………………………………………......................... 23

2.2.1.- Desarrollo de raíces………………………………………………………………………………... 24

2.2.2.- Desarrollo de cotiledones……………………………………………………………………..… 25

2.3.- Trasplante…………………………………..…………………………………………………………………………….. 26

2.4.- Definición de Hidroponía……………………………………………………………………………………………. 26

2.4.1- Técnicas Hidropónicas……………………………………………………………………………… 27

2.4.2.- Sustratos……………………………………………………………………………………………….… 28

2.4.3.- Raíz Flotante………………………………………………………………………………………….… 29

2.4.4.- Técnica de Película Nutritiva (NFT)…………………………………………………………. 29

2.4.5.- Aeropónia…………………………………………………………………………………………….… 30

2.5.- Elección del Sistema Hidropónico…………………………………………………………………………… 31

2.6.- Temperatura y Humedad……………………………….………………………………………………………. 33

2.6.1.- Temperatura…………………………………………………………………………………………… 33

2.6.2.- Humedad Relativa…………………………………………………………………………………… 35

2.6.3- Relación Luz-Planta………………………………………………………………………………..… 36

2.6.3.1.- Como usa la luz solar la planta de jitomate………………………………. 39

2.6.4.- Malla sombra………………………………………………………………………………………….. 44

CAPITULO 3

DISEÑO DE LOS CIRCUITOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

3.1.- Convertidor Analógico/Digital (ADC)………………………………………………………………………. 48 3.1.1.- Muestreo………………………………………………………………………………………………… 49

3.1.2.- Cuantificación……………………………………………………………………………………….… 50 3.1.3.- Codificación……………………………………………………………………………………….……. 52 3.2.- Modulación Digital……………..………………………………………………………………………………….. 53

3.2.1.- ASK (Modulación por desplazamiento de Amplitud)…………………………..…… 55

3.3.- El MSP430 de Texas Instruments y sensores…………………………………….…………………….. 59

3.3.1.- Comparación y elección de los dispositivos electronicos………………..………. 62

3.4.- Diodos……………………………………………………………………………………………………………………. 64

3.5.- Transistores……………………………………………………………………………………………………………. 67

3.6.- Optoacopladores……………………………………………………………………………………………………. 71

3.7.- Diseño de Sistema de Riego en la etapa de Germinación………………………………………… 73

3.7.1.-Etapa Sensorial………………………………………………………………………………………... 74

3.7.2.- Etapa de Control……………………………………………………………………………………... 76

3.7.3.-Diagrama de flujo…………………………………………………………………………………….. 78

3.7.4.-Circuito Eléctrico……………………………………………………………………………………… 80

3.8.- Diseño del Circuito Eléctrico Sistema NFT…………………………………………………………….… 81

3.8.1.- Circuito Eléctrico……………………………………………………………………………………… 89

3.8.2.- Diagrama de Flujo…………………………………………………………………………………… 90

3.9.- Diseño Circuito Eléctrico Sistema de Malla……………………………………………………………… 91

3.9.1.- Circuito Eléctrico………………………………………………………………………………………95

3.9.2.- Diagrama de Flujo…………………………………………………………………………………... 96

3.10.- Diseño de Circuito de Control de Temperatura y Humedad……………………..…………… 97

3.10.1.- Diseño de Sensores……………………………………………………………………………….. 97

3.10.2.- Diagrama de flujo de Control de Temperatura y Humedad………………….…99

3.10.3.- Circuito de Control de Temperatura y Humedad……………………………..……100

3.10.4.- Transmisor y Receptor………………………………………………………………………… 101

3.10.5.- Diseño de Circuito de Actuadores……………………………………………………….. 102

3.10.6.- Circuito de Actuadores……………………………………………………………………….. 106

CAPITULO 4

PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1.- Germinación…………………………………………………………………………………………………………. 109

4.2.- Riego…………………………………………………………………………………………………………………….. 117

4.3.- Temperatura y Humedad……………………………………………………………………………………... 122

CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………………………………... 125

ANEXO………………………………………………………………………………………………………………………………......… 128

GLOSARIO…………………………………………………………………………………………………………………………………. 151

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………….………………………………………… 154

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL I

AGRADECIMIENTOS

Para lograr algún objetivo que valga la pena, se debe tener esfuerzo y dedicación, pero

influye en gran medida el entorno que nos rodea para concretar dicho objetivo por lo cual

agradezco a las personas que han estado a mi lado para ver este logro.

Por todas tus enseñanzas y educación, soy gran parte de lo que ahora me caracteriza.

Por su paciencia, dedicación, apoyo y compresión.

Gracias; Jesús Silva, Reyna Barranco, Yaraí y Alí Silva, Lupita Monroy y a toda mi familia.

Josué Silva Barranco.

En gran parte quiero agradecer a mis padres y hermanos por todo el apoyo que me han

prestado durante y fuera de mi periodo escolar, sin ellos hubiera sido más complicado verme

ahora cerrando este ciclo, también quiero agradecer a mis profesores que intervinieron en mi

enseñanza y mi formación tanto profesional como personal.

Noé Bravo Díaz.

Con todo mi cariño y esfuerzo para las personas que han guiado y mostrado muchas cosas

maravillosas en la vida para que yo avanzara en mi propio camino, por su paciencia y apoyó en las

situaciones más adversas, a ustedes que siempre llevo en mi corazón, mi eterno agradecimiento y

mi compromiso en nos depare la vida. Para y por mis Padres y Hermanos.

Luis M. Huerta Espinoza

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL II

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Diseñar e implementar el prototipo de un invernadero autónomo controlando sus

condiciones ambientales tales como temperatura, humedad y riego por medio de un

microcontrolador.

OBJETIVO PARTICULAR:

Así mismo estará operando en etapas independientes como es el sistema de germinación

y el sistema de riego por medio de la técnica (NFT) técnica de capa nutritiva.

Transmitir los datos vía inalámbrica, para evitar el deterioro de cables por las condiciones

dentro del invernadero.

Lograr y proveer un mayor desempeño y limpieza del cultivo por el uso del sistema

hidropónico para el riego.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL III

JUSTIFICACIÓN

Los cambios climatológicos actuales son extremos, por lo que se requiere desarrollar

“agricultura protegida”. La idea de desarrollar un prototipo de un invernadero donde exista la

menor interacción posible con el agricultor y cuya función principal ahora será la de monitorear el

funcionamiento correcto de los sistemas que optimizaran la producción del jitomate además de

entregar un producto libre de agentes químicos. Esto surge por la falta de producto de calidad en

la mayoría del campo mexicano, tomando en cuenta la cantidad de gente que tiene que consumir

productos de hortaliza y que cada vez se buscan alimentos más sanos y limpios, por lo que se

propone un sistema de riego que no incluye tierra en todo el desarrollo de la planta, por lo que se

descartan algunas bacterias que puedan existir en dicho sustrato. Con el sistema de riego NFT, por

sus siglas en inglés Nutrient Film Technique, se obtiene una mayor producción y como se

menciona anteriormente cumple la expectativa de un producto más sano y limpio. Al desarrollar el

prototipo propuesto se dará un respiro al campo mexicano, ya que se considera que se obtendrán

productos de mayor calidad en el desarrollo del jitomate, lo que conlleva a tener mayor cantidad

en dicha producción, ya que las plantas serán tratadas en todos sus etapas de crecimiento, desde

la germinación.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL IV

INTRODUCCIÓN

La problemática actual derivada de los cambios climatológicos y el uso desmedido de

fertilizantes en el cultivo, han generado productos agrícolas de mayor volumen pero de menor

calidad, ocasionando que aumente considerablemente el consumo indirecto de sustancia químicas

Por eso la importancia de buscar una alternativa en la producción agrícola para satisfacer a la gran demanda de productos naturales, y eso es lo que buscamos con este sistema que sea un producto libre de pesticidas y demás químicos, con lo cual se logre tener un producto de la más alta calidad.

La presente tesis consta de 5 capítulos, en el capítulo 1 se expone una breve definición de algunos aspectos relacionados con un invernadero, su historia, tipos más usados en invernaderos, selección de la estructura, así mismo se dará una explicación de los diferentes tipos de planta de jitomate, descripción de sus características, además de justificar los motivos para la elección del jitomate tipo bola para el desarrollo de nuestro prototipo.

En el capítulo 2 se desarrolla todo lo relacionado con las etapas a controlar; Germinación del jitomate tipo bola, Sistema de Riego con la técnica NFT, se aclara la definición de Hidroponía y porque se elige dicha técnica para el desarrollo del cultivo, también se describe las necesidades para el desarrollo de la planta como la luz solar, se puntualiza lo relacionado a la Temperatura y Humedad, las cuales son condiciones primordiales para el desarrollo de la planta, se hace mención al concepto de modulación, tipos y la elección de modulación para la comunicación inalámbrica en la cual enlazamos los actuadores encargados de modificar las condiciones de acuerdo a los requerimientos del jitomate dentro del prototipo del invernadero.

El capítulo 3 se explica a detalle la etapa sensorial en los diferentes circuitos empleados además se describe las etapas del programa que realiza las tareas de riego con el MSP430, el circuito de control para esta etapa es idóneo para el desarrollo de la planta hasta su etapa de trasplante, se describe a detalle el programa que realiza el Microcontrolador MSP430 para el control de riego, así como el sistema de control de sombra según las necesidades de la planta. Y por último se describe el proceso para que el Microcontrolador MSP interprete las lecturas obtenidas de los sensores de temperatura y humedad y posteriormente se active o interrumpa algún actuador de acuerdo a las condiciones programadas con anterioridad. Siendo este parte del sistema la innovación propuesta además de ser vital para el desarrollo del cultivo de jitomate.

Después en el capítulo 4 Se presentan los resultados de las pruebas a las que fueron sometidos todos los circuitos impresos para verificar su correcto funcionamiento, se hacen algunas observaciones que se percibieron durante dichas pruebas y finalmente se concluye con respecto a los objetivos propuestos al realizar esta tesis y con los resultados finales obtenidos.

2

CAPITULO I “CONCEPTOS GENERALES”

1.1 -Historia del invernadero.

Los primeros intentos conocidos en donde se brindaba protección a un conjunto

de hortalizas son dados a conocer por el historiador Columella* el cual explica que se inició

en el imperio romano, en específico durante el periodo correspondiente al emperador

Tiberio Cesar, ya que se empleaban estructuras móviles para el cultivo de pepino, se

sacaban al exterior si las condiciones climáticas lo permitían o se mantenían cubiertas

para protegerlas de las inclemencias climáticas. Esta técnica de cultivo desapareció con la

caída del imperio romano y no fue hasta después de la época del Renacimiento (S. XVI – S.

XVIII) donde se volvió a retomar está técnica de cultivo, en donde figuran naciones como

Inglaterra, Holanda, Francia, China y Japón. La técnica artificial que él utilizó entonces

sigue siendo similar al invernadero que es utilizado actualmente, a excepción de la

tecnología agregada. 1

*Lucius Junius Moderatus Columela (Gades, Bética, 4 d. C. – Tarento, ca. 70 d. C.) fue

un escritor agronómico romano. Puso en práctica sus conocimientos de agricultura en sus

propiedades de Ardea, Carseoli y Alba. De su obra escrita nos ha llegado De re rustica (Los trabajos

del campo), escrito hacia el año 422 y De arboribus (Libro de los árboles).

Fig. 1.1. – Foto de uno de los primeros diseños de invernadero,

Jardín Botánico de Brúcelas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Gades

http://es.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/4

http://es.wikipedia.org/wiki/Tarento

http://es.wikipedia.org/wiki/Ca.

http://es.wikipedia.org/wiki/70

http://es.wikipedia.org/wiki/Antigua_Roma

http://es.wikipedia.org/wiki/Agricultura

http://es.wikipedia.org/wiki/Columela#cite_note-2

3


Los primeros invernaderos de horticultura para el cultivo de uvas, se construyeron

cerca de 1850, para comenzar con la historia moderna de los invernaderos actuales como

el que se muestra en la figura 1.1.

Se dieron cuenta que al cultivar las uvas dentro de un invernadero calefaccionado y

hecho con alta calidad de cristales, las plantas crecían rápidamente y aumentaban su

rendimiento, y que al darles más luz y el ambiente cálido era permanente, entonces su

producción mejoraba eficazmente.

Eso significaba que se podían cultivar tipos de plantas que eran de climas cálidos

en países de climas fríos. Los primeros invernaderos en España se construyeron el año

1957, en sus comienzos se enarenaban los terrenos donde habían cultivos para romper

con la capilaridad del suelo tratando de que la evaporación del agua se redujera. De esa

forma se vio que la temperatura se mantenía más tiempo, porque las sales se

encontraban más diluidas y por lo tanto no se depositaban en la superficie. Al notar los

resultados positivos logrados con ese sistema que se le hacían a los cultivos al aire libre, se

fue extendiendo esa práctica ampliándose y extendiéndose por todo el resto de los

sembrados de esa zona. Los factores que hicieron posible el uso de estos lugares de

cultivos cálidos para comenzar a pensar en la historia del invernadero, fueron los climas

diferentes en cada provincia.2

1.2.- Definición de Invernadero.

Es una construcción especial, generalmente de hierro cubierta de vidrios o

cubierta plástica lo cual eleva la temperatura interna del invernadero para mantener un

calor constante y por medio de la concentración de calor dentro del mismo proteger del

frío como lo mostrado en la figura 1.2. Esto permite que gran variedad de plantas puedan

desarrollarse de mejor manera.

4


Más aún, cuando se trata de algunas, que con las bajas temperaturas del invierno,

se marchitan o sufren de sobremanera. Es por lo mismo, que un invernadero, es una

herramienta efectiva, para poder cultivar plantas, independiente la época del año, en que

se está viviendo.3

1.3.- Tipos de Invernaderos.

Las características y formas del invernadero estarán dispuestas por las condiciones

climáticas: temperatura, luz solar, lluvia y aire y orografía, conforme a lo mencionado se

Fig. 1.3.- Orientación de Invernaderos.

Fig. 1.2.- Modelo actual de invernadero, vista exterior e interior.

5


establece la orientación de la estructura, como se muestra en la figura 1.3. La clasificación

de los invernaderos se realiza por el material con el que se construyen y por la forma que

tienen en su estructura, a continuación se describen los más utilizados en la agricultura.2, 3

Invernadero-túnel.

Invernadero capilla (a dos aguas).

Invernaderos en diente de sierra.

Invernadero con techumbre curva.

Invernadero tipo “parral” o “almeriense”.

Invernadero “holandés” (tipo Venlo).

1.3.1 Invernadero-túnel.

Es un modelo con una estructura sencilla pero a su vez resistente. Está diseñado

para clientes que necesitan una estructura de invernadero económica en una superficie

pequeña donde no tendría cabida otro tipo de estructura y su diseño se muestra en la

figura 1.4 además de tener con las especificaciones de construcción mostradas en la Tabla

1.1.

Fig. 1.4.- Diseño básico de Invernadero tipo túnel.

6


1.3.2 Invernadero capilla (a dos aguas).

Se trata de una de las estructuras más antiguas, empleadas en el forzado. La

pendiente del techo es variable según la radiación y pluviometría (variando normalmente

entre 15° y 35°).

Ancho (m) Altura del cenit (m) Altura total (m)

3 – 5 1.5 -----------

6 2.5 1.3

8 3.2 1.7

9 3.3 1.7

Ventajas Desventajas

Alta resistencia a los vientos y de fácil

instalación.

Tiene un alto grado de paso de luz solar.

Apto tanto para materiales de cobertura

flexible como rígidos.

Relativamente pequeño volumen de aire retenido

(escasa inercia térmica) pudiendo ocurrir el fenómeno

de inversión térmica.

Solamente recomendado para cultivos de bajo a

mediano porte. (Hortaliza)

Tabla 1.1.- Proporción de medidas de invernadero tipo túnel.

Tabla 1.2.- Principales Ventajas y desventajas a considerar para

invernadero tipo túnel.

7


La ventilación de estos invernaderos en unidades sueltas, no ofrece dificultades;

solo se hace difícil cuando varios de estos invernaderos se agrupan formando baterías, a

continuación en la figura 1.5 se muestra su diseño.

1.3.3 Invernaderos en dientes de sierra.

Una variación de los invernaderos tipo capilla, que se comenzó a utilizar en zonas

con muy baja precipitación y altos niveles de radiación, fueron los invernaderos a una


Construcción de media a baja

complejidad.

Utiliza materiales de bajo costo

dependiendo de la zona

(postes de madera pinos,

eucaliptos).

Apto tanto para materiales de

cobertura flexible como

rígidos.

Problema de ventilación con invernaderos en

batería.

Misma altura cenital, tiene menor volumen

encerrado que invernaderos curvos.

Mayores números de elementos que disminuyen la

transmisión de luz solar.

Elementos de soportes internos que dificultan los

desplazamientos y el emplazamiento de cultivos.

Fig. 1.5.- Diseño básico de Invernadero tipo capilla.


invernadero tipo capilla.

8


vertiente. Estos invernaderos, contaban con una estructura superior única inclinada en

ángulos que variaban entre 5° y 15° (orientados en sentido este-oeste y con presentación

del techo hacia la posición del sol - norte para el hemisferio sur-), mostrado en la figura

1.6.

El acoplamiento lateral de este tipo de invernaderos da origen a los conocidos

“dientes de sierra”. La necesidad de evacuar el agua de precipitación, determinó una

inclinación en las zonas de recogida desde la mitad hacia ambos extremos.

Ventajas. Desventajas.

Estructuras con pocos obstáculos en su estructura.

Buena ventilación.

Buena estanqueidad a la lluvia y al aire.

Permite la instalación de ventilación cenital a

sotavento y facilita su accionamiento mecanizado.

Buen reparto de la luminosidad en el interior del

invernadero.

Fácil instalación.

Elevado coste.

No aprovecha el agua

de lluvia

Fig. 1.6.- Diseño básico de Invernadero tipo diente de sierra.


invernadero tipo diente de sierra.

9


1.3.4 Invernaderos con techumbre curva.

Este tipo de invernaderos, tienen su origen en los invernaderos-túneles. Dentro de

este tipo de invernaderos, pueden encontrarse diferentes alternativas según la forma que

adopta el techo (circulares, semi-elípticos o de medio punto, ojivales, etc.) ilustrado en la

figura 1.7.


Construcción poco

compleja.

Excelente ventilación.

Empleo de materiales de

bajo costo.

Sombreo resulta mayor que en capilla debido al

número de elementos.

Fig. 1.7.- Diseño básico de Invernadero tipo techumbre curva.


invernadero tipo techumbre curva.

10


1.3.5 Invernadero tipo parral (almeriense).

Son invernaderos originados en la provincia de Almería (España), de palos y

alambres, denominados “parral” por ser una versión modificada de las estructuras o

tendidos de alambre empleados en los parrales para uva de mesa, en la figura 1.8 se

muestra su diseño. En la techumbre sólo se utiliza un doble entramado de alambre, por

entre el cual se coloca la lámina de polietileno, sino otra sujeción.


Es económica su construcción.

Gran adaptabilidad para la geometría

del terreno.

Mayor resistencia al viento.

Aprovecha el agua de lluvia en

periodos secos.

Presenta uniformidad luminosa.

Poca existencia de aire.

Mala ventilación.

La instalación de ventanas cenitales

resulta difícil.

Envejece rápido la estructura

Difícil mecanización para las labores

de cultivo.

Fig. 1.8.- Diseño básico de Invernadero tipo parral.


invernadero tipo parral.

11


1.3.6 Invernadero tipo Venlo (holandés).

Son invernaderos de vidrio, los paneles descansan sobre los canales de recogida

del agua pluvial. La anchura de cada módulo es de 3,2 m y la separación entre postes en el

sentido longitudinal es de 3 m, como se muestra en la figura 1.9.

Estos invernaderos carecen de ventanas laterales (puede ser debido a que en

Holanda no existen demasiadas exigencias en cuanto a ventilación).


Buena estanqueidad lo que facilita

una mejor climatización de los

invernaderos.

La abundancia de elementos

estructurales implica una menor

transmisión de luz.

Su elevado coste.

Naves muy pequeñas debido a la

complejidad de su estructura

Fig. 1.9.- Diseño básico de Invernadero tipo Venlo.


invernadero tipo Venlo.

12


1.4.- Selección del Invernadero para prototipo.

Para la elección y construcción de un invernadero, se deben de tener en cuenta los

siguientes aspectos:

a) La Orientación.- La orientación geográfica que se debe de dar a un invernadero es

variable, según los cultivos a que se dedique y la época en que se realicen. La luz y

el viento son los factores determinantes de la orientación que hay que dar al

invernadero. El viento puede ser dominado con el refuerzo del anclaje del

invernadero y con la colocación de cortavientos.

b) La Luminosidad.- Es de los factores más importantes a tener en cuenta. En

invierno, desde septiempre a marzo, en nuestras latitudes. La orientación Este-

Oeste es aquélla en la que el invernadero recibe más cantidad de luz durante el

día; apartir de marzo y hasta septiembre, a medida que pasan los días y el sol toma

altura en el horizonte, en esa orientación las cubiertas y paredes del Norte reciben

luz solar durante varias horas de la mañana y tarde; parte de esa luz es refleja al

exterior.

En los invernaderos de cubierta plástica donde se realicen cultivos de hortalizas en

primavera o en otoño, conviene la orientación Sureste-Nordeste. En cultivos de plantas

ornamentales y algunas especies florales que se hagan en invernadero de cristal,

policarbonato o poliéster y que estén provistos de calefacción, es más interesante la

orintación Norte-Sur.

1.4.1 Condiciones que debe reunir un Invernadero.

El invernadero es una instalación que debe cumplir determinadas condiciones sin

las cuales no puede realizar las funciones para las que se construye y puede resultar poco

rentables los cultivos que en él se hagan.

13


Las condiciones más importantes, son las siguientes: diafanidad, calentamiento

rápido, efecto invernadero, ventilación fácil, estanqueidad al agua de lluvia, resistencia a

los agentes atmosféricos, economía y mecanización fácil, a continuación se describen

estas condiciones.

Diafanidad.- La luz es fuente de energía, tanto para que la planta realice sus funciones

vitales (fotosíntesis, respiración, crecimiento, reproducción, etc.), como para su

transformación en calor; los materiales que se utilizan como cubierta de invernadero

deben tener una gran transparencia a las radiaciones luminosas.

Calentamiento rápido.- El calor absorbido por los materiales del interior del

invernadero(suelo, plantas, etc.) a su vez, es emitido en forma de radiación de longitud de

onda larga, que al llegar a la parte interior de la cubierta, una parte de esta radiación sale

al exterior y otra parte se emite hacía el interior, calentado la atmósfera del invernadero.

El material de cubierta no debe dejar que se escape el calor acumulado en el interior y

sobre todo, su resistencia a enfriarse debe ser mayor a medida que la temperatura

desciende.

Ventilación Fácil.- Es necesario realizar una ventilación a medida la temperatura ópitma se

eleva.

Estanqueidad al agua de lluvia.- El agua de lluvia, por poco que sea, no debe entrar de

ninguna forma en el recinto cubierto; para evitarlo deben hacerse construcciones cuya

cubierta no perminta de ninguna manera la filtración de líquido.

Resistencia a los agentes atmosféricos.- El invernadero es una instalación frágil que debe

tener la suficiente resistencia para afrontar la fuerza del viento, el peso del granizo. Esto

se consigue con un buen anclaje, una estructura bien calculada y un material de cubierta

resistente a dichos agentes atmosféricos.

14


Economía.- La explotación del invernadero tiene un fin lucrativo; por tanto, si se

incrementa demasiado los gastos fijos de automatización y conservación, así como la

implementación misma, pueda que al final de un analisis financiero resulte no ser viable

su desarrollo a largo plazo.

Al analizar las ventajas y desventajas que ofrecen entre los 7 tipos de invernaderos,

se eligió para el desarrollo de prototipo el tipo Túnel, por su bajo costo, su resistencia a los

vientos y el más importante criterio que se tomó en cuenta, es que es ideal para el

desarrollo del jitomate con lo que se cubrieron todas las necesidades que se buscaban en

el tipo de invernadero. 1

1.5.- Jitomate.

1.5.1.- Elección de Jitomate.

Para el diseño del prototipo del invernadero se eligió el jitomate tipo bola porque

tiende a ser menos propenso a enfermedades, su planta es más resistente, se puede

obtener una mayor producción y además cumple con las siguientes características:

Es un alimento ligero, de cada 100 gramos equivalen a 14 kilocalorías. Su

composición química es muy variable según la especie y variedad, pero en general

se compone a base de agua con fructosa, carbohidratos y minerales como

manganeso, zinc, boro y molibdeno. Asimismo, es rico en vitaminas A, B3 y C.

La niacina o vitamina B3 actúa en el funcionamiento del sistema digestivo, el buen

estado de la piel, el sistema nervioso y en la conversión de los alimentos en

energía.

Entre las propiedades del jitomate bola figura 1.10 destaca la de ser un excelente

antioxidante, defensor de las paredes celulares de los tejidos y la piel, así

15


como depurador de productos tóxicos, por ello es recomendable en dietas de

adelgazamiento.

1.5.2.- Especificaciones del Jitomate.

El jitomate (Solanum lycopersicum) pertenece a la familia de las Solanáceas junto

con el tabaco, el chile y la papa. Su nombre proviene del náhuatl, xictlitomatl, o “tomate

de ombligo”, también es conocido como tomate, coatomate, o tomate bola. Es una planta

herbácea con hojas alternas y flores en forma de estrellas amarillas o blancas. Los frutos

rojos son desde muy pequeños hasta de 750 gramos.4

La especie es originaria de Sudamérica pero su domesticación se llevó a cabo en

México. Actualmente el jitomate se considera el segundo vegetal más importante en el

mundo después de la papa. Los principales países productores son China, Estados Unidos,

India, Turquía y Egipto. México se encuentra en el décimo lugar con alrededor de 2

millones de toneladas anuales. Mientras que los principales estados productores en

México son Sinaloa, Baja California y Baja California, San Luis Potosí y Michoacán.

El jitomate contiene una mezcla balanceada de minerales, vitamina C y E,

carotenos y flavonoides. Su uso como remedio medicinal está registrado desde el códice

Florentino. Actualmente sigue siendo utilizado para bajar inflamaciones de anginas,

Fig. 1.10.- Jitomate tipo bola.

http://conabio.inaturalist.org/taxa/51737-Solanum-lycopersicum

16


Fig 1.11.- Jitomate saladette indeterminado altamente productivo ideal para la

producción en los invernaderos pasivos, frutos extra grandes de gran calidad

preferidos por los consumidores.

dolores de riñón, entre otros. Se ha demostrado su acción antiviral, antifúngica y

antihistamínica.5

1.5.3.- Jitomate Saladette.

Tabla 1.8.- Descripción del jitomate tipo saladette.

17


1.5.4.- Jitomate tipo bola.

DATOS TECNICOS

Sistemas de producción Invernadero Pasivo.

Forma de fruto.

Sección longitudinal.

Alargado.

Peso promedio por fruto (gr) Extra Grande.

Características del fruto. 150, Buen Color.

Vigor de la planta. Firme, Buen

Resistencia a Enfermedades. RA: Fol: 0-2 (us1-3)/S/V/M/ ToMV: 2

RI: TYLCV

Fig 1.12.- Variedad de jitomate tipo bola indeterminado, tiene altos

rendimientos de frutos grandes y extra grandes de calidad superior, con excelente

paquete de resistencia a virus y enfermedades del suelo.

Tabla 1.9.- Especificaciones del jitomate tipo saladette.

18


DATOS TECNICOS

Sistemas de producción Invernadero Pasivos.

Forma de fruto.

Sección longitudinal.

Globo Aplanado

Tamaño del fruto. Extra Grande.

Peso promedio por fruto (gr) 250.

Características del fruto. Color Rojo Intenso, forma globo

aplanado.

Vigor de la planta. Intermedio.

Resistencia a Enfermedades. RA: Ft: 0-5/Fol:0-2 (US1-

3)/V/TMV:0/ToMV: 0-2/TSWVRI:

M/TYLCV.

Tabla 1.10.- Descripción del jitomate tipo bola.

Tabla 1.11.- Especificaciones del jitomate tipo saladette.

19


1.6.- Condiciones determinantes para un buen desarrollo en la planta de

jitomate.

Para este cultivo se necesita una temperatura media diaria de aproximadamente

22 °C que es la óptima para el desarrollo de las plantas aunque se puede utilizar un rango

de 18°C a 22°C y este cultivo lo puedes realizar preferentemente durante primavera-

verano, pero podría ser todo el año, mientras se mantenga el rango de temperatura que

se recomiendan.

También es importante que se tome en cuenta que si la temperatura se

encuentra debajo de 16°C, el crecimiento de la planta disminuye; y con menos de 8 °C el

desarrollo del cultivo se paraliza completamente; mientras que con temperaturas

superiores a los 35°C la fructificación es pobre, débil o nula, sobre todo si no hay una

buena humedad cuando menos del 70-75%, a menos que la semilla sea hibrida y

resistente a este tipo de temperaturas. 5

1.6.1.- Parámetros indispensables para el control en el prototipo

Después de analizar varios documentos con las condiciones ideales se tomó la

determinación de elegir los rangos en los cuales operará el invernadero las cuales tendrán

que ser monitoreadas por los sensores y controladas por los actuadores.

Temperatura: 25°C

Humedad: 75%.

Teniendo en cuenta que temperaturas superiores a los 300C-350C afecta la

fructificación de la planta. Y temperaturas menores a 120C-150C también originan

problemas como fecundación defectuosa o nula.

20


En cuanto a la humedad alta ocasiona enfermedades en el follaje y agrietamiento

del fruto y dificultan la fecundación, debido a que el polen se compacta, abortando parte

de las flores. Humedad baja dificulta la fijación del polen al estigma de la flor. Ver figura

1.13. 1, 3

Fig. 1.13.- Producción de jitomate tipo bola en invernadero.

22

CAPITULO II “ESPICIFICACIONES DEL CULIVO”

A continuación se elabora un desarrollo sobre las especificaciones más relevantes

del cultivo del jitomate ya que estas permiten conocer cuáles son los principales factores

que influyen en el desarrollo de la planta de jitomate así mismo saber las afectaciones que

producen la ausencia de dichos factores. Con esto se logra tener un margen de control del

ambiente dentro del invernadero, teniendo como resultado una óptima producción.

2.1.-Siembra.

El cultivo del jitomate es de origen sudamericano localizado en la región andina. El

jitomate es la hortaliza más difundida en todo el mundo y la de mayor valor

económico. Fue uno de los primeros cultivos producidos por el método hidropónico, por

lo que a continuación en el desarrollo de este capítulo se expondrá el método utilizado

para el cultivo del jitomate tipo bola mostrado en la figura 2.1.

El primer paso es la siembra de la semilla, en este caso del jitomate tipo bola como

la que se muestra en la figura 2.2.

Fig. 2.1.- Cultivo de jitomate tipo bola en invernadero.

http://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=page&id=178


23


En este caso se realizó una siembra de tipo indirecta por medio de un semillero o

germinador mostrado en la figura 2.3, ya que el desarrollo de la planta será en un sistema

hidropónico, el cual no necesita ningún tipo de sustrato. 5

2.2.- Germinación.

En esta etapa las semillas únicamente requerirán de un riego con agua para

mantener la humedad en el sustrato. El proceso se desarrolla en mejor forma cuando se

da bajo condiciones de esterilidad, como por ejemplo en sustrato para macetas, donde no

tienen que competir contra malezas ni defenderse contra patógenos y plagas. La

Fig. 2.2.- Fotografía de semillas de Jitomate.

Fig. 2.3.- Muestra de colocación de las semillas en el germinador.


24


germinación requiere de humedad continua para que la semilla logre los niveles

apropiados de contenido de agua. El proceso comienza cuando la semilla llega a un nivel

de 30% de humedad. Se puede verificar la germinación entre 12 y 15 días después de la

siembra, siendo esto una constante en la mayoría de las variedades de ésta semilla y

mostrado en la figura 2.4. 2

2.2.1.- Desarrollo de raíces.

Cuando la semilla alcanza un 30% de humedad y el rango de temperatura es

adecuado para la germinación, se produce una raíz embrionaria, que también se conoce

como raíz primaria como se muestra en la figura 2.5 donde se observa el desarrollo de

esta.

Esta ayuda a anclar la semilla y permite que absorba agua y otros nutrientes desde

el suelo. A medida que la raíz crece, se desarrollan raíces secundarias y la embrionaria se

convierte en la raíz principal de la planta de tomate.

Fig. 2.4.- Semillas en el inicio de la germinación.

25


2.2.2.- Desarrollo de cotiledones.

El cotiledón es parte del brote embrionario que emerge de la semilla. Es el primer

tallo y hojas de la planta ejemplo de esto se puede observar en la figura 2.6. Los

cotiledones no son hojas verdaderas, sino hojas jóvenes "falsas". Ayudan a comenzar el

proceso de fotosíntesis, brindado más energía y nutrientes a medida que la plántula

crece.5

Fig. 2.5.- Desarrollo de la raíz en diferentes etapas de la germinación.

Fig. 2.6.- Cotiledón al germinar la semilla.

26


2.3.- Trasplante.

El siguiente punto es trasplantar las plántulas de jitomate para cultivarlas según la

técnica hidropónica que se haya elegido. El trasplante del Jitomate se llevará a cabo de 30

a 40 días después de la siembra, dejando una distancia entre plantas de 30cm (en general

para cualquier técnica) y entre hileras de plantas de 33cm; para así lograr tener 9 plantas

de jitomate por metro cuadrado, en la figura 2.7 se muestra dicho procedimiento.

2.4.- Definición de Hidroponía.

“La palabra hidropónica se deriva del griego Hydro (agua) y Ponos (labor o trabajo)

lo cual significa literalmente trabajo en agua." 6

Antes de atender las técnicas hidropónicas se debe entender que la planta es un

ser vivo que crece, se reproduce y muere, lo que con lleva a procesos biológicos en su

desarrollo como sudar (transpirar), tomar agua y alimentarse; dentro de los más

importantes por lo cual no debemos de perder de vistas a los órganos encargados de estos

procesos. Todos los elementos tomados por la raíz son llevados por el tallo hasta las hojas

en donde son modificados para que la planta pueda asimilarlos y desarrollarse con buena

de calidad.

Partiendo de lo antes mencionado se debe seleccionar la técnica hidropónica que

esté diseñada para sustituir al suelo atendiendo la forma, tamaño y desarrollo de la planta

Fig. 2.7.- Procedimiento para trasplantar la planta de jitomate.

http://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=index&cPath=34

27


sin perder de vista los procesos fisiológicos de esta conforme al diseño de tu producción, a

continuación se muestra una de las técnicas hidropónicas en la figura 2.8.6

2.4.1.- Técnicas Hidropónicas.

Fig. 2.8.- Sistema NFT para el desarrollo del jitomate.

Fig. 2.9.- Diagrama de técnicas hidropónicas.

28


2.4.2.- Sustratos.

Un sustrato es un medio para generar el sostén de la planta como anclaje de la

raíz, la técnica en sustrato consiste en producir en medios que ancle la raíz y den sostén a

la planta manteniendo la humedad, drenaje, aireación y facilidad de adsorción de

nutrientes.7

Muchos de los métodos Hidropónicos actuales emplean algún tipo de medio, como

grava, arenas, piedra pómez, aserrines, arcillas expansivas, carbones, cascarilla de arroz.

Denominados sustrato, a los cuales se les añade una fórmula nutritiva disuelta en agua que

contiene todos los elementos esenciales necesarios para el crecimiento y desarrollo de la

planta a continuación se muestran algunos tipos de ellos en la figura 2.10. 3, 6

Fig. 2.10.-Muestras de diferentes tipos de sustratos.

http://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=index&cPath=80

http://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=index&cPath=49_52

29


2.4.3.- Raíz flotante.

Técnica de raíz flotante consiste en utilizar contendores de cualquier tipo de

material el cual no debe permitir el paso de luz protegido por una tapa con orificios

encargada de sostener al cultivo permitiendo que las raíces estén en contacto con la

solución nutritiva, por lo cual no se debe olvidar que este sistema depende de la aireación

la cual genera oxigeno esencial para la raíz, muestra de esta técnica se observa en la figura

2.11. 3

2.4.4.-Técnica de película nutritiva (Nutrient Film Technique).

Esta técnica de NFT consiste en crear una película re-circulante de solución

nutritiva, como se logra esto, generalmente se utiliza tubos de PVC con tapas con pequeñas

conexiones al final y al inicio para hacer correr el agua en todo el conjunto de tuberías que

uno deseé con una serie de conexiones buscando dirigir la corriente de agua hasta un

deposito en el cual tendremos una bomba la cual hace circular la solución y nuestras

tuberías con conexiones la re-circulación , estas últimas tienen orificios en los cuales se

colocan las plantas y sostienen de tal manera que las raíces están en contacto con la

película re circulante de la solución nutritiva como se muestra en la figura 2.12. 3

Fig. 2.11.-Sistema de Raíz flotante.

http://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=product_info&cPath=56&products_id=574

30


2.4.5.-Aeropónia

Esta técnica consiste en mantener las raíces libres de cualquier otro medio

quedando en contacto con el aire y solución nutritiva aplicada en forma de nebulización

con mecanismos encargados de sostener la planta durante todo su crecimiento y

desarrollo muestra de ello se observa en la figura 2.13. 3

Fig. 2.12.-Sistema de NFT.

Fig. 2.13.-Sistema de Aeropónia.

31


2.5.-Elección del Sistema Hidropónico.

La posibilidad de producir alimento, especialmente hortalizas de alta calidad,

resulta hoy en día de gran importancia en zonas altamente pobladas; sin embargo su

posibilidad está limitada por el rápido crecimiento de la ciudad y de la industria utilizando

la mayor parte de los suelos cercados a los centros urbanos, lo que conlleva a la reducción

del espacio para infraestructuras de invernadero y con ello para el riego y el aumento de

las exigencias del mercado en calidad y sanidad de las hortalizas, especialmente las de

consumo en fresco, han hecho que las técnicas hidropónicas de cultivo sean potencialmente

atrayentes. Por ello, el desarrollo del proyecto se realizó con la técnica de NFT, la que se

consideró ser la mejor opción por un aprovechamiento en la etapa de riego y la circulación

del agua, lo cual permite una oxigenación natural y otro punto que se observó

conveniente fue que el desarrollo del jitomate con esta técnica es muy productivo. 3

El principio fundamental de la técnica de NFT figura 2.14 cosiste en la recirculación

de la solución nutritiva a través de varios canales de tubos de PVC, que llegan a un

Fig. 2.14.-Modelo de sistema NFT.

32


contenedor en común (este deberá de ser obscuro para evitar la incidencia de micro algas

en la solución nutritiva) y que con la ayuda de una bomba sube nuevamente dicha

solución nutritiva a cada canal. La recirculación suministrará los nutrientes necesarios a las

plantas por medio de las raíces que cuelgan desde las canastillas del contenedor para que

la planta se desarrolle y crezca adecuadamente. 3

Ventajas del NFT

Permite un control más preciso sobre la nutrición de la planta.

Simplifica enormemente los sistemas de riego, porque elimina la esterilización

del suelo y asegura una cierta uniformidad entre los nutrientes de la plantas.

Maximiza el contacto directo de las raíces con solución nutritiva, por lo que el

crecimiento de los productos es acelerado siendo posible obtener en el año

más producción.

Si se maneja de la forma correcta el sistema, permite cultivar hortalizas de

consumo en fresco y de alta calidad.

En el sistema NFT la recirculación de la solución nutritiva, permite evitar

posibles deficiencias nutricionales.

La instalación de un sistema NFT resulta más sencilla (menor número de

bombas para el riego de la solución nutritiva, la obstrucción de los goteros,

etc.).

Las plantas cosechadas se remueven fácilmente.

Un sistema pequeño pude soportar a una planta grande.

Desventajas del NFT

Este sistema requiere de un cuidado adecuado del estado de la solución

nutritiva para rendir resultados.

Los costos iniciales son mayores que con otros sistemas.

No se puede cultivar cualquier tipo de planta.

33


2.6.- Temperatura y Humedad.

2.6.1- Temperatura.

La temperatura óptima para la germinación de jitomate está comprendida entre

los 20 y 30 °C con buena humedad (por debajo de los 10 °C la semilla no germina) y para el

crecimiento es de 21 a 26 °C. Una temperatura permanente menor de 15°C detiene la

floración y si esta llega a los 10 °C la planta detiene su crecimiento). Temperaturas diurnas

de 25 a 30 °C y nocturnas de 8 a 16 °C propician una buena floración y fructificación. En

caso de elevarse a más de 35 °C la fotosíntesis disminuye formando hojas más pequeñas,

tallos más delgados que ocasionan desprendimiento de ramas y racimos pequeños. El

crecimiento máximo (producción de biomasa) se obtiene con una temperatura diurna de

24 °C y nocturna de 17 °C.

Estos factores fluctúan en relación con la intensidad de la luz, la edad y el balance

de agua en la planta. En la etapa de floración, por ser una planta termo periódica

responde favorablemente a fluctuaciones de temperatura diurna-nocturna, esta oscilación

térmica entre el día y la noche debe ser al menos de 8°C, lo que favorece su crecimiento y

la formación de mayor número de flores, en esta etapa la planta requiere en el día de 23 a

26 °C y en la noche de 15 a 18 °C, temperaturas mayores a 28 °C reducen el número de

flores y racimos por planta; las flores son pequeñas y pueden caer sin ser polinizadas,

debido a la falta de carbohidratos que se consumen por las partes vegetativas de la

planta. Con temperatura por encima de 35 °C los granos de polen se deshidratan, el pistilo

de las flores se prolonga de manera anormal situándose por encima de los granos de

polen antes de que las anteras se abran, por lo cual no puede realizarse la polinización

creando poco amarre de frutos y muy des uniformes Temperaturas inferiores a 12 °C

ocasionan que el polen pierda parcialmente su viabilidad o definitivamente muere,

reduciéndose con eso la autopolinización provocando la caída de flores o frutos

demasiado pequeños y con ello disminución del rendimiento. Esta es la etapa más

34


sensible en cuanto a temperaturas se refiere y tanto las altas como las bajas temperaturas

son condiciones que pueden afectar significativamente la producción al disminuir tanto la

cantidad como la calidad de frutos, por lo que hay que tener especial cuidado en las

temperaturas máximas y mínimas registradas durante esta etapa. 7

En la etapa de fructificación las condiciones óptimas para que se produzca la

fecundación y amarre del fruto se pueden establecer entre los 14 y 18 °C durante la noche

y de 23 a 26 °C durante el día, poniendo especial atención en la temperatura nocturna, ya

que esta tiene mayor influencia sobre estos procesos. Durante la etapa de llenado de

frutos, las altas temperaturas redundan en la disminución del tamaño de frutos cuajados

ya que se retarda la fotosíntesis, la respiración se acelera y las células son más pequeñas

La coloración deseada en el fruto es la roja, propiciada por el licopeno, el cual se

manifiesta mejor en temperaturas que van de los 15 a 29 °C, de lo contrario, aparecen

colores verdes, amarillos, o rosados propiciados por los carotenos y las xantofilas. La

temperatura óptima diaria para el mejor desarrollo del color rojo del jitomate está entre

18 y 24 °C; cuando la temperatura pasa los límites de 26 a 29 °C, considerados como

Fig. 2.15.-Diagrama de relación entre temperatura y desarrollo de la planta.

35


desfavorables, se acentúa el color amarillo del fruto. La maduración puede ser anormal

cuando ocurre una temperatura promedio de 15 °C durante 95 horas en la semana

anterior a la cosecha. Temperaturas inferiores a 8 °C pueden disminuir la calidad del fruto

provocando un agrietamiento muy ligero en forma circular. 6, 7 Ver figura 2.15. 6

2.6.2- Humedad relativa.

La humedad relativa más favorable es de 50 a 60%, cuando es más alta las anteras

se hinchan y el polen no puede liberarse ni caer sobre el estigma y las flores no se

polinizan y caen. La humedad relativa del 80% o más favorecen el desarrollo de

enfermedades fungosas principalmente tizón tardío (Phytophtorainfestans), tizón

temprano (Alternaria solani) y moho gris o botrytis (Botrytis cinérea) se presentan

agrietados de frutos y dificultan la fecundación, debido a que el polen se compacta,

abortando parte de las flores. La humedad relativa del 50%, o menos, dificulta la fijación

del polen al estigma de la flor además de que el polen se deshidrata muy rápidamente y

disminuye el amarre de frutos; otro problema es que la transpiración de la planta

disminuye creando problemas por deficiencia de calcio sobre todo en los frutos debido a

que este elemento además de ser poco móvil dentro de la planta.

Fig. 2.16.-Sistema de

control de humedad.

36


Existen varias formas para mantener el nivel óptimo de humedad en el ambiente

dentro del invernadero, una de ellas y muy importante es tomar en cuenta el área de

ventilación del invernadero, de modo que con la apertura de las ventanas tanto laterales,

cenitales y frontales, se puede tener una buena circulación e intercambio de aire,

facilitando con esto la salida de humedad o bien con el uso de extractores de aire, en la

figura 2.16 se muestra el sistema que regula la humedad en funcionamiento. 5, 7

La humedad en el invernadero interviene en varios procesos:

a) amortiguamiento de los cambios de temperatura.

b) aumento o disminución de la transpiración.

c) crecimiento de los tejidos.

d) viabilidad del polen para obtener mayor porcentaje de fecundación del ovario

de las flores.

e) desarrollo de enfermedades.

2.6.3.- Relación Luz-Planta.

El jitomate es una planta sensible al fotoperiodo, en lo que concierne a su

floración. Este tipo de respuesta es el control de la producción de un pigmento amarillo en

la cutícula en ciertos frutos adecuados genéticamente. Es conveniente que la luminosidad

sea intensa cuando la planta de jitomate está en producción (coloración del fruto), 12

horas diarias de luz es el mejor fotoperiodo figura 2.17, si es menor el desarrollo es lento y

si es mayor, la síntesis de proteínas se dificulta y los carbohidratos se acumulan en

exceso.2

37


En invierno, los días de fotoperiodo cortos con promedios de luminosidad baja,

limitan la producción de carbohidratos.

Esto podría ser la causa principal de la reducción en el amarre del fruto. Las

Iluminaciones limitadas reduce el proceso de la fotosíntesis neta, además implica una

mayor afectación a los productos asimilados, con incidencia en el desarrollo y la

producción, ya que disminuye el tamaño de los fruto, por lo que para el desarrollo normal

de la planta de jitomate se requiere generalmente días de 11 a 12 horas luz solar, en días

más largos las plantas empiezan a fructificar más temprano. A plena exposición solar una

gran cantidad de Ca2+ se dirige hacia las hojas. En éstas la tasa de transpiración es más

alta que en los frutos. Sólo en la noche, cuando no hay transpiración o es reducida, una

proporción de flujo xilemático incrementada se desvía hacia los frutos. Así, la

transpiración se da a gran velocidad con luz brillante, en particular si la humedad

ambiental es baja. Estas condiciones estimulan el crecimiento de la fruta pero no el

suministro de Ca2+. Por otra parte, las altas conductividades eléctricas en la solución

reducen el ascenso y el transporte de Ca2+ hacia los frutos. 2, 3

Fig. 2.17.-Proceso de fotosíntesis.

38


La luz es un factor imprescindible para llevar adelante una serie de procesos

fisiológicos en las plantas, siendo el más importante de todos la “fotosíntesis”. La luz actúa

sobre la asimilación de carbono, la temperatura de las hojas y en el balance hídrico, y en el

crecimiento de órganos y tejidos, principalmente en el desarrollo de tallos, expansión de

hojas y en la curvatura de tallos, interviene también, en la germinación de semillas y en la

floración. La luz y la temperatura están directamente correlacionadas. En mayores niveles

de luz hay mayor temperatura y a mayores niveles de temperatura hay mayor

transpiración y consumo de agua. A mayor luminosidad en el interior del invernadero se

debe aumentar la temperatura, la humedad relativa (HR) y el gas carbónico (CO2), para

que la fotosíntesis sea máxima; por el contrario, si hay poca luz pueden descender las

necesidades de otros factores.

La calidad de la luz varía ligeramente en la naturaleza, principalmente de acuerdo

con la localización de la producción o invernadero.

La calidad de luz tiene influencia en la tasa de fotosíntesis. A mayor altitud, las

plantas están más expuestas a longitudes de las fracciones azul y ultravioleta del espectro

de radiación. A nivel del mar, la luz es en parte filtrada y su calidad disminuida. Plantas

que son cultivadas en una condición o influencia de mucha sombra reciben abundante luz

de las fracciones azul y roja y tienen su crecimiento perjudicado, creciendo más largos y

delgados por una tasa fotosintética más baja. Intensidades de luz muy altas pueden

reducir el crecimiento por resultado de un “estrés hídrico”. La intensidad de la radiación

solar que llega a la superficie de la tierra se reduce por varios factores variables, entre

ellos, la absorción de la radiación, en intervalos de longitud de onda específicos, por los

gases de la atmósfera, dióxido de carbono, ozono, por el vapor de agua, por la difusión

atmosférica, por las partículas de polvo, moléculas y gotitas de agua, por reflexión de las

nubes y por la inclinación del plano que recibe la radiación respecto de la posición normal

de la radiación. México es un país con alta incidencia de energía solar en la gran mayoría

de su territorio siendo la zona norte una de las más soleadas del mundo. Ver figura 2.18.1,3

39


2.6.3.1- Como usa la luz solar la planta de jitomate.

Las plantas de jitomate usan el sol para producir azúcar para crecer. Durante el

primer mes de crecimiento, las plantas crean nuevas hojas con el azúcar que producen y

pueden duplicar su tamaño cada dos semanas. El azúcar es luego usado para crear tallos,

flores y tomates. El contenido de azúcar decrece en los vegetales a medida que la planta

crece. Los tomates no son capaces de producir el azúcar que precisan si no tienen luz

solar.

Las plantas de tomate deben recibir al menos siete horas de luz solar. Una menor

cantidad puede causar problemas de salud. Con la mínima cantidad, la planta producirá

menos frutos. La luz se manipula por medio de diferentes técnicas siendo muy efectivas y

eficientes, pero cada técnica influye entre la intensidad y la calidad de la luz.

Fig. 2.18.-Cultivo en invernadero expuesto a la luz solar.

40


Para hacer uso de la luz en los invernaderos primero se debe saber el efecto que

esta tiene sobre las plantas, luego según nuestras necesidades, puede ser manipulada

para lograr los efectos de su desarrollo.

La luz afecta la planta de dos formas: para proveer la energía para la fabricación de

azucares y provee señales directas a las plantas para su desarrollo morfológico. El primer

proceso es la fotosíntesis y el segundo es fotomorgenesis. Además de la fotosíntesis hay

tres importantes procesos en el desarrollo de las plantas: 3,6

Fototropismo: corresponde a la respuesta de la planta frente a un estímulo

luminoso, los tallos por ejemplo, crecen hacia una fuente luminosa, mientras que

las hojas adoptan posiciones diferentes para captar la mayor cantidad de luz.

Fotoperiodismo: corresponde a las variaciones de iluminación recibida por la

planta, este proceso se produce por la absorción de un pigmento presente en las

plantas llamado fitocromo. El fitocromo absorbe fundamentalmente la luz roja y

luz roja lejana.

Fotomorgénesis: se refiere al crecimiento de las plantas directamente influenciado

por la luz, en gran medida este proceso es influenciado por la luz de alta intensidad

y la actividad que realizan los fitocromos.

Fotosíntesis: La fotosíntesis es manejada más eficientemente con luz roja y azul. Los

pigmentos clorofila y carotina absorben la energía de la luz, cuando es almacenada en las

bandas químicas de carbohidratos (azucares y aminoácidos). La energía es liberada

cuando los carbohidratos son rotos como parte de la separación. El rompimiento de la

energía es utilizada como manejo de todas otras reacciones de la planta para el

crecimiento y desarrollo. Para la buena salud de la planta debe ser capturada y

almacenada mucha energía lumínica, para soportar los largos periodos de oscuridad

cuando la luz es también suficientemente baja para la actividad fotosintética como se

muestra en la figura 2.19.

41


Para maximizar las condiciones de luz que llegan al invernadero se debe considerar lo

siguiente, La más simple es mantener el invernadero libre de polvo en las cubiertas,

paredes y pisos para incrementar la transmisión de la luz.

Reducir al máximo las obstrucciones de la luz directa del sol y que produzcan

sombras en las plantas durante largos periodos, por el contrario, si el invernadero está al

lado de un árbol y este solo produce sombra solo pocas horas en el día no tendríamos un

efecto negativo en el cultivo.

Distribuir las plantas por separado durante los periodos prolongados de baja luz,

para incrementar la luz que recibe cada planta.

Luz suplementaria: La luz suplementaria se convierte indispensable cuando se quiere

ajustar la cantidad lumínica que necesita la planta para su correcto crecimiento, esto

comúnmente se requiere en días oscuros o estaciones con días muy cortos como la

implementada en la figura 2.20.

Existen varias fuentes de luz suplementaria, incandescentes, fluorescentes y de alta

intensidad de descarga (HID por sus siglas en ingles). Como se mencionó, la luz

Fig. 2.19.-Proceso de Fotosíntesis

con y sin luz solar.

42


suplementaria ideal para nuestro invernadero casero es la luz fluorescente, esta tiene un

buen porcentaje de luz Roja y Azul. La HID es muy eficiente pero por su costo y tamaño se

adaptan mejor para invernaderos de mayor magnitud.

Cada tipo de planta requiere una intensidad de luz diferente. Resulta bastante difícil

medir esta intensidad de luz para el invernadero sin un luxómetro, a continuación se

elaboran algunos comparativos para tomarlos como referencia:

1 lux: Es la intensidad de la luna llena en latitudes tropicales

100 lux o menos: Se considera intensidad baja o luz indirecta.

450 lux: Es la intensidad promedio de una oficina.

450 lux: Es la intensidad de la salida del sol en un día despejado, en latitudes

tropicales

1000 Lux: Es la intensidad para un día nublado, se considera una iluminación de

alta intensidad.

32.000 a 100.000 Lux: Es la intensidad de luz para un día despejado sobre la luz

directa del sol.

Fig. 2.20.-Sistema auxiliar de Luz complementaria.

43


La duración de la exposición luminosa es tan importante como la intensidad. La

fotosíntesis es un proceso que puede ser manipulado suministrando luz de baja intensidad

por largos periodos. En otras palabras, 4 horas de 800 Lux de intensidad es igual a 8 horas

a 400 Lux, en cada caso 3.200 Lux serán recibidos por la planta en un día. Esta

reciprocidad como es llamada, es importante cuando se necesita el control de las

cantidades de luz. Es importante anotar que las plantas también necesitan de horas de

oscuridad (mínimo 5 horas) para procesar la energía acumulada durante el día y producir

la glucosa necesaria, por lo tanto no se debe exagerar en la cantidad de horas luz

suministrada.

Este conocimiento del suministro de luz en las plantas es bastante sencillo una vez

conozcamos el tipo de plantas que estemos cultivando y si esta de día corto, largo o

neutral, igualmente la estación del año. Para suministrar luz suplementaria en el

invernadero, es recomendable utilizar bombillas fluorescentes de luz día, pues para el

tamaño de los invernaderos caseros son adecuadas la que se muestran en la figura 2.21. 3

Fig. 2.21.-Bombillas Fluorescentes.

44


Para medir la cantidad de luz y con base en esto tomar la decisión si las plantas

necesitan más luz, se pueden utilizar luxómetros o fotoceldas. Esta medición permitirá

que el cultivo tenga un nivel adecuado de luz para que las plantas posean la energía

suficiente para la fotosíntesis. Si lo que se desea es tener un grado de automatización en

el invernadero, la medición de la variable resulta fundamental para poder detectar el

momento de oscuridad y suministrar horas extras de luz. 6

2.6.4.- Malla sombra.

En invernaderos las mallas interiores, absorbe radiación solar y la convierte en

calor dentro del invernadero, el cual será necesario evacuarlo, son buenas en invierno, a

pesar que ayudan a reducir la temperatura también sirven para mantener la temperatura.

Normalmente tiene como ventaja que se puede extender y recoger de acuerdo a las

condiciones de la intensidad de luz.

Mallas exteriores (más recomendado) figura 2.22, para una reducción de

temperatura más efectiva y de preferencia se debe dejar una cámara de aire entre la

malla y el techo del invernadero. La razón de su efectividad es que evitan que no entren

las radiaciones dentro del invernadero, lo cual ayuda a reducir la temperatura del aire. 5

Fig. 2.22.-Mallas exteriores.

45


Beneficios generales.

La función principal la climatización optima y/o protección de cultivos contra las

inclemencias climatológicas (temperatura baja y alta, viento, humedad, lluvia,

granizo), fauna y flora nociva.

Reducir la radiación solar que llega a los invernaderos, lo cual provoca un descenso

en la temperatura en el interior.

Reduce las irradiaciones solares (exceso térmico), mejorando las condiciones

vegetativas del desarrollo del cultivo y reduce de desecación del suelo. Protege

contra la insolación y regula el tiempo de maduración.

Reduce intensidad de luz en los cultivos, regulándola a las necesidades de cada

cultivo.

Ahorra el uso de agua de riego

Mejora difusión de luz, aumentando la actividad química y evitando el manchado

en hojas y frutas. (mallas de colores)

Mejora polinización al evitar excesos de humedad

Reduce el efecto invernadero, la diferencia entre la temperatura máxima y

mínima, mejorando la fotosíntesis.

Una casa sombra es una forma de alta producción de cultivo de excelente calidad a

un costo de una cuarta parte del valor de un invernadero.

Como rompevientos, ayuda a tener un buen nivel de humedad al limitar la

evapotranspiración de las plantas.

Como rompevientos previene la caída de frutos y quemaduras por deshidratación,

rotura de tallos, facilita el riego por aspersión, facilita tratamientos sanitarios y en

zonas cercanas al mar reduce salinidad en cultivos.

Evita goteo por condensación ya que son permeables.

Protege de fuertes lluvias, granizo, heladas y fuertes vientos.

Protege contra pájaros, insectos y virus.

46


Protege a los ganados del viento, heladas y ataques de aves y murciélagos.

Protege y ayuda en la polinización por medio de abejas dentro de invernaderos.

Fundamental para invernaderos hortícolas y ornamentales.

El ganado produce más leche y genera más carne, si tienen un lugar donde cubrirse

del sol en los días claros, ya que gastan menos energía en compensar las altas

temperaturas de su cuerpo.

Avicultura, (color amarillo) da una sensación de ser de día por lo tanto las gallinas

ponedoras producen durante la noche reduciendo los costos y aumentando la

producción, además de proteger contra cambios bruscos de temperatura.

En gallineros se usa como pared humedad.

Se usa para el secado de las frutas.

Apicultura protección de zonas y granjas apícolas (abejas).

Piscicultura o acuicultura, para la distribución de criaderos en distintas especies.

48

CAPITULO III “DISEÑO DE LOS CIRCUITOS DEL SISTEMA DE CONTROL”

A continuación en el desarrollo de este capítulo se resume todo el proceso de

diseño del prototipo de invernadero, desde los análisis matemáticos de los diseños de

circuitos, así mismo se da una breve explicación del desarrollo de los circuitos impresos

empezando de su etapa de prueba en los protoboard y posteriormente su etapa de diseño

en Proteus, su elaboración de forma manual con hojas de transferencia pasando por la

etapa de desgaste del cobre por medio de Cloruro Férrico, perforación, montaje y soldado

de los dispositivos electrónicos. Pero antes de abordar esta parte del diseño, primero se

hace referencia a algunos conceptos y descripción de algunos elementos utilizados a lo

largo de este proyecto.

3.1.- Convertidor Analógico/Digital (ADC).

En el mundo en el que habitamos, todas las sensaciones que se pueden percibir y

que interpreta el cerebro humano (temperatura, presión, o velocidad, distancia, sonido,

humedad, etc.) son de naturaleza analógica, es decir que es tipo de señales a las que se

está habituado son por definición una variación continua en el tiempo, es decir, que a una

variación significativa en el tiempo le corresponderá una variación igualmente significativa

con respecto al valor de la señal. Actualmente con el desarrollo de la tecnología se han

innovado dispositivos electrónicos que emulan algunas de las capacidades humanas, en

este caso en particular se enfocará en la habilidad de percepción del entorno y en base a

la información obtenida la cual después de ser analizada y procesada por una

computadora que ejecutara una serie de instrucciones previamente programadas.

Para realizar lo mencionado anteriormente, se ha recurrido a diferentes

dispositivos que en conjunto podrán cuantificar los valores obtenidos de las mediciones

obtenidas, quedando ejemplificado en la figura 3.1: 9

49


Primeramente para obtener una aproximación a las magnitudes a medir es

necesario la utilización de dispositivos llamados sensores, que en forma simple es un

sustituto de alguno de los sentidos humanos.

El objetivo principal de un ADC es transformar una señal Analógica en una señal

Digital, la conversión analógica-digital consiste básicamente en tomar de forma periódica

medidas de la amplitud de una señal en este caso desde alguno de los sensores un tiempo

determinado y evaluar su nivel. Estos métodos son conocidos como Muestreo,

Cuantificación y Codificación.

3.1.1.- Muestreo.

El proceso de muestreo consiste en tomar muestras de la amplitud de la señal de

entrada periódicamente, la velocidad con que se realiza dicho procedimiento se le conoce

como frecuencia de muestreo que para realizar se debe tomar en cuenta el teorema de

Nyquist mostrado en la Ecuación (3.1).

𝐹𝑠 > 2𝐹𝑚𝑎𝑥 … … … … … … … (3.1)

Fig. 3.1.-Diagrama del ADC.

50


Este teorema nos indica que la frecuencia de muestreo debe ser mínimo al doble de la

frecuencia de la señal a muestrear, esto para evitar distorsiones conocidas como

solapamiento, lo que evita que en procesos posteriores se pueda recuperar integra a la

señal, en la figura 3.2 se puede observar el tratamiento de dicha señal. 9

3.1.2 Cuantificación.

Básicamente, la cuantificación es convertir una sucesión de muestras de amplitud

continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos. Durante este proceso se

mide el nivel de la amplitud de cada una de las muestras obtenidas en el proceso de

muestreo y se les asigna un valor finito, dentro de un margen de niveles previamente

fijado ejemplo de esto se muestra en la figura 3.3. 9

Fig. 3.2.-Ejemplo de una señal muestreada.

51


Fig. 3.3.-Niveles de decisión.

Los valores son establecidos para ajustarse al proceso de cuantificación y se eligen

en función de la propia resolución que utilice cualquier código utilizado. Si uno de los

niveles no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior o superior

más próximo.

Ahora, la señal digital que resulta tras la cuantificación es ligeramente diferente a la

señal analógica original, lo que se conoce como error de cuantificación. Un error de

cuantificación se convierte en un ruido cuando se reproduzca la señal tras el proceso de

decodificación digital. 9

52


3.1.3 Codificación.

La codificación consiste en asignar valores de las muestras de la señal analógica que

han sido cuantificados al sistema binario o cualquier otro empleado. La señal analógica se

transforma en un tren de pulsos como se observa en la figura 3.4.

Durante el muestreo la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar

cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal toma valores

finitos, la señal obtenida ahora es digital. 9

Fig. 3.4.-Asignacion de código a cada muestra.

53


3.2.- Modulación Digital.

En la transmisión de la información sobre una onda portadora, típicamente una

onda sinusoidal, se utiliza una gran cantidad de métodos para transmitirla, esto se conoce

como modulación.

Esto se hace con la finalidad de tener un mejor aprovechamiento en el canal al

transmitir más información en forma simultánea, como también se evita tener

interferencias y ruido. La modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda

portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es

Fig. 3.5.-Tipo de modulación.

54


la información que se requiere transmitir.

Existen dos tipos de información que podemos transmitir: analógica y digital, en

dichas señales se puede modificar los parámetros de amplitud, frecuencia o fase de la

portadora como se muestra a continuación en la figura 3.5. 11

La modulación digital es un proceso mediante el cual se trasforman los símbolos

digitales en forma de onda adecuadas para la transmisión sobre un canal de

comunicación. En este tipo de modulación existen criterios que son tomados en cuenta ya

que proporcionan ventajas con respecto a la modulación analógica.

Ventajas de las modulaciones digitales:

Menos sensible a las interferencias.

Permite un control de errores.

Mayor eficiencia espectral que los sistemas analógicos.

Encriptación de datos.

Las técnicas de modulación digital pueden agruparse dependiendo de la

característica que se varié en la señal portadora. Las técnicas más comunes de modulación

digital son: 11

-Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK, amplitude shift keying), también

denominada Transmisión (modulación) de encendido-apagado (OOK, on-off keying) la cual

consiste en activar o desactivar una portadora senoidal con una señal binaria unipolar.

-Modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK, binary phase shift keying), la

cual consiste en desplazar la fase de una portadora senoidal 0º o 180º con una señal

binaria unipolar. Es equivalente a una modulación PM con una señal digital unipolar o a

modular una señal DSB-SC con una forma de onda digital polar.

-Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK, frequency shift keying), la cual

consiste en desplazar la frecuencia de una portadora senoidal desde una frecuencia de

55


marca (correspondiente al envío de un 1 binario) hasta una frecuencia de espacio

(correspondiente al envío de un 0 binario) de acuerdo con la señal de banda base digital.

Es idéntica a modular una portadora de FM con una señal digital binaria.

Dado que en el desarrollo del prototipo de invernadero por comunicación

inalámbrico está basado en modulación ASK se expondrá con un poco más detalle en

comparación de los demás tipos de modulación los cuales son se mencionaran y

definieran.

3.2.1 ASK (Modulación por desplazamiento de amplitud).

La modulación por desplazamiento de amplitud, en inglés Amplitude shift keying

(ASK), es una forma de modulación en la cual los datos digitales son como variaciones de

amplitud de la onda portadora.

La amplitud de una señal portadora análoga varia conforme a la corriente de bit

(modulación de la señal), manteniendo la frecuencia y la fase constante. El nivel de

amplitud puede ser usado para representar los valores 1 y 0.

Fig. 3.6.-Ejemplo de Modulación ASK.

56


Los dos valores binarios se representan con dos amplitudes diferentes y es usual

que una de las dos amplitudes sea cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa

mediante la presencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa

mediante la ausencia de la señal portadora. En este caso la señal moduladora vale

Mientras que el valor de la señal de transmisión (señal portadora) es dado por:

vp(t) = Vp sen(2π fp t)…………………………………..(3.3)

Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.

Como es una modulación de amplitud, la señal modulada tiene la siguiente expresión:

v(t) = Vp vm(t)sen(2π fp t) )…………………………………..(3.4)

Como se observa la señal moduladora vm(t) al ser una señal digital toma

únicamente los valores 0 y 1, con lo cual la señal modulada resulta:

La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera

……………………….(3.2)

………………………………….(3.5)

57


Debido a que la señal moduladora es una secuencia periódica de pulsos, su

espectro de frecuencias obtenido por medio del desarrollo en serie compleja de Fourier

tiene la característica de la función sen x/x.

Fig. 3.8.- Función sen x/x. en domino del tiempo.

Fig. 3.7.- Modulación ASK.

58


Este caso es similar a la modulación de amplitud para señales analógicas, o sea que

se produce un desplazamiento de frecuencias, que en este caso traslada todo el espectro

de frecuencias representativo de la secuencia de pulsos periódicos.

Fig. 3.9.- Función sen x/x. en domino de la frecuencia.

Fig. 3.10.- Espectro de Frecuencias.

59


Por lo tanto se concluye que el ancho de banda necesario para esta transmisión es

mayor que el requerido para modulación de amplitud, debido a que la cantidad de señales

de frecuencias significativas (las del primer tramo) que contiene el espectro, dependiendo

dicha cantidad de la relación entre el período y el tiempo de duración de los pulsos.

ASK es sensible a cambios repentinos de la ganancia, además es una técnica de

modulación ineficaz.

La técnica ASK es usada comúnmente para trasmitir datos digitales sobre la fibra

óptica. Para los transmisores LED, el valor binario 1 es representado por un pulso corto de

luz y el valor 0 por la ausencia de luz. Los transmisores de laser normalmente tienen una

corriente fija que hace que el dispositivo emita un nivel bajo de luz. Este nivel bajo

representa el valor 0, mientras una onda luminosa de amplitud más alta representa el

valor binario 1. Ver Figura 3.6. 11,12

3.3.- El MSP430 de Texas Instruments y sensores.

La MSP430 es una familia de microcontroladores fabricados por Texas Instruments.

Construido con una CPU de 16 bits, el MSP430 está diseñado para aplicaciones

empotradas de bajo costo, sistemas inalámbricos y/o de ultra bajo consumo de energía

Fig. 3.11.-Microprocesador MSP430 de Texas Instruments.

http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador

http://es.wikipedia.org/wiki/Texas_Instruments

http://es.wikipedia.org/wiki/CPU

http://es.wikipedia.org/wiki/Bit

60


figura 3.11. Las siglas MSP quieren decir Mixed Signal Processor lo cual significa

procesadores de señal mixta, al ser microcontroladores están diseñados y construidos

para el uso y generación de señales de forma digital, pero también están diseñados para

poder trabajar con señales analógicas, esto los hace útiles para aplicaciones de control,

medición y electrónica de consumo. 14

Estos microcontroladores son los que menos energía consumen incluso por debajo

de los PIC´s, esto se logra combinado de manera correcta las varias fuentes de

interrupción, los periféricos independientes a la CPU y la selección correcta de las fuentes

de reloj para la CPU y los periféricos.

Cuentan con una CPU RISC de 16 bits y una arquitectura Von Neuman. Esta familia

está formada por 5 generaciones las cuales en total suman más de 200 dispositivos, cada

generación ofrece diferentes niveles de integración analógica, periféricos digitales y

protocolos de comunicación lo cual ayuda a los desarrolladores a solventar de la manera

más apropiada sus necesidades.

La característica más destacable es que sus herramientas son muy fáciles de usar y

de bajo costo así como sus dispositivos, un ejemplo de ello es que cuentan con la

plataforma de desarrollo más barata en el mercado, el LaunchPad figura 3.12, la cual es de

Fig. 3.12.-Tarjeta entrenadora LaunchPad.

61


mucha utilidad a la hora de hacer algunos desarrollos en formato DIL (Dual In Line) en una

Protoboard sin necesidad de realizar circuitos impresos para su etapa de pruebas.

A continuación se hacer referencia a algunas de las características más sobresalientes

de la familia de microprocesadores MSP430 de Texas Instruments. 14, 8

ALU de 16 bits que efectúa operaciones lógicas (AND, OR, XOR), substracciones,

adiciones y comparaciones.

RISC (Reduced Instruction Set Computing) con 27 instrucciones y 7 modos de

direccionamiento.

Arquitectura Ortogonal, además cualquier instrucción se puede usar con cualquier

modo de direccionamiento.

Todos los registros en la CPU son completamente accesibles.

Las operaciones entre registros se llevan a cabo en un ciclo.

Los registros de 16 bits reducen la cantidad de veces que se accede a la memoria al

ejecutar una instrucción.

El bus de direcciones de 16 bits permite el acceso y los brincos a lo largo de todo el

mapa de memoria.

El generador de constantes proporciona las 6 constantes más usadas para reducir

el tamaño del código y facilitar la programación a través de instrucciones

emuladas.

Transferencias de memoria a memoria sin necesidad de registros intermedios.

Instrucciones y modos de direccionamiento para 8 y 16 bits (Byte y Word).

12 registros de propósito general que pueden almacenar tanto datos como

direcciones.

Construida utilizando lógica estática con la cual no hay un mínimo de frecuencia de

operación, lo cual permita que la CPU pueda ser detenida.

Al contrastar la CPU de los MSP430 con otras CPU de otros microcontroladores se

llega a la conclusión que la arquitectura de los MSP430 permite realizar una

62


programación más eficiente, al reducir el tamaño del código de cualquier aplicación a

realizar, lo que brinda al desarrollador una flexibilidad y portabilidad.

3.3.1.- Comparación y elección de los dispositivos electrónicos.

Siguiendo en el apartado de ser amables con la naturaleza, una característica para

elegir un Microcontrolador para el desarrollo del prototipo, fue que dicho dispositivo

tenga un bajo consumo de energía y para que fuera aún más rentable se consideró el

costo. Teniendo como resultado en la elección el MSP430 de Texas Instrument, la

comparación se muestra en la Tabla 3.1. 14

MARCA ATMEL MICROCHIP FREESCALE MSP430

MODELO ATMEGA16 PIC16F877A MC68HC908A916 MSP430G2553

RAM 1024 368 1024 512

ROM 16K 14.3K 16K 16K

EEPROM 512 BYTES 256 BYTES --- ---

PUERTOS I/O 32 33 32 20

OSCILADOR INT 8MHZ EXT

16MHZ EXTERNO 20MHZ INTERNO 32MHZ

INT 16MHZ EXT 32MHZ

TIEMPOS DE INSTRUCCIÓN

1-5 CICLOS DE RELOJ

4/8 CICLOS DE RELOJ

1-7 CICLOS DE RELOJ 16 CICLOS DE

RELOJ

ARQUITECTURA RISC RISC CISC RISC

REGISTROS DE TRABAJO 32 1 1 16

USART √ √ --- √

I²C √ √ √ √

63


SPI √ √ √ √

ADC 8 CANALES 10

BITS 8 CANALES 10

BITS 8 CANALES 10 BITS 8 CANALES 10 BITS

CONSUMO 1.8V-3.6V 2V-5.5V

3V-5V 1.8V-3.6V

Comparativa Sensor de Temperatura

Sensor DS18B20 TMP102 LM35DZ

Voltaje 3.0 a 5.5 V 1.4 a 3.6 4 a 30V

Rango de Temperatura

-55°C a +125°C -55 a 150 -55 a 150

Corriente 1.5mA 10 µA 60µA

Tipo de Señal Analógica Digital Analógica

Impedancia Baja Impedancia Baja Impedancia

Precisión ± 0.5 ° C de

precisión desde -10 ° C a +85 ° C

0.5°C 0.5°C

Características Especiales

Permite medir con precisión las temperaturas en

ambientes húmedos

Calibra directamente en

°C, Ideal para aplicaciones

Remotas

Costo $180 $100 $30

Fotografía

Tabla. 3.1.-Comparación y elección del microcontrolador.

Tabla. 3.2.-Comparación y elección del sensor de temperatura.

64


Comparativa Sensor de Humedad

Sensor DHT-22 HIH-4030 HMZ-433A1

Voltaje de Alimentación

3.3-6V de entrada 4 a 5.8 5 V

Rango de Humedad

0 a 100% 0 a 100% 20 a 90%

Consumo en Corriente

1.5mA 200 µA 5 mA

Tipo de Señal a la Salida

Analógica Analógica Analógica

Impedancia Baja Impedancia Baja Impedancia Impedancia 5KΩ

Precisión ± 0.2% ± 0.6% ± 0.5%

Características Especiales

No Necesita Calibración Externa

Montaje Superficial Resiste 1000Hrs a una

Humedad de 90%

Costo $190 $187 $126

Fotografía

3.4.- Diodos.

Un diodo es un componente electrónico que permite el paso de la corriente

eléctrica en un sentido y lo impide en sentido contrario. Está formado por la unión de dos

materiales semiconductores, uno del tipo “P” y otro del tipo “N”. Por tanto está provisto

de dos terminales denominados ánodo (+) y cátodo (‐). Como norma general, el sentido

de circulación de la corriente en un diodo va del ánodo al cátodo. Su símbolo es: Cuando

un diodo se conecta a una tensión eléctrica, se dice que está polarizado. Esta polarización

puede ser directa o inversa. 15, 16

Tabla. 3.3.-Comparación y elección del sensor de temperatura.

65


- La polarización directa se produce cuando se conecta el polo positivo del

generador al ánodo y el polo negativo del generador al cátodo. De este modo el diodo se

comporta como un conductor de corriente.

- La polarización inversa se produce en el caso contrario, es decir, el polo positivo

al cátodo y el negativo al ánodo. En este caso el diodo impide el paso de la corriente

eléctrica y se comporta como un aislante. Queda claro que un diodo polarizado

directamente deja pasar la corriente eléctrica, mientras que un diodo polarizado

inversamente no deja pasar la corriente eléctrica.

La curva general de funcionamiento mostrada en la anterior figura 3.13 de un

diodo es la siguiente: Se puede observar que en la región de polarización directa (la

situada arriba y a la derecha de los ejes) a partir de la tensión Vγ se obtiene una

conducción del diodo prácticamente lineal. Se trata de una recta que relaciona la tensión

aplicada con la intensidad que recorre el diodo mediante la resistencia interna del diodo.

Fig. 3.13.-Curva característica del diodo.

66


La tensión Vγ se denomina umbral de conducción. Habitualmente se utilizan

diodos cuya tensión umbral será de 0,7 voltios, lo que quiere decir que si aplicamos al

diodo una tensión superior a 0,7V, el diodo se comportará como una resistencia

(polarización directa).

En la región de polarización inversa (abajo y a la izquierda de los ejes) existe una

tensión VRM, que se denomina tensión de ruptura del diodo, de tal manera que si la

superamos el diodo quedará destruido.

Existen unos diodos especiales que se diseñan para trabajar en dicha zona de

ruptura. Son los diodos Zener. Tienen una curva característica como la que se representa

a continuación en la figura 3.14.

Fig.3.14.-Curva característica del diodo Zener.

67


Estos diodos cuando son polarizados directamente se comportan como un diodo

normal, pero cuando son polarizados inversamente, y la tensión aplicada es la VZ (ya no se

llama tensión de ruptura, sino tensión zener), conducen también la corriente eléctrica.

Son diodos fundamentalmente empleados en fuentes de alimentación como elementos

estabilizadores de tensión, que como se puede ver en la curva, aunque la intensidad que

los atraviese varíe de manera considerable, la tensión en sus extremos será prácticamente

constante e igual a la VZ. 15, 16

3.5.- Transistores.

Existen varios tipos de transistores y con múltiples aplicaciones, pero el transistor

que se trabaja se denomina transistor bipolar. Es un componente formado por la unión de

tres semiconductores, que pueden ser: 15, 16

Dos tipo “P” y uno tipo “N”, en cuyo caso el transistor se denomina PNP.

Dos tipo “N” y uno tipo “P”, en cuyo caso el transistor se denomina NPN, ambos

ejemplos se ilustran en la figura 3.15.

Fig. 3.15.-Diseño del Transistor PNP y NPN.

68


Sus símbolos son los siguientes mostrados en la figura 3.16:

Como se puede comprobar un transistor dispone de tres terminales de conexión,

que se denominan colector (C), base (B) y emisor (E).

Generalmente se van utilizar transistores NPN para nuestros montajes, cuyo

funcionamiento es el siguiente mostrado en la figura 3.17:

Fig. 3.17.- Configuración del transistor.

Fig. 3.16.-Simbologia e imágenes del transistor en sus diferentes tipos.

69


Si no se hace circular corriente entre la base y el emisor (interruptor abierto), el

transistor estará cortado, es decir, no dejará pasar la corriente entre el colector y el

emisor (lámpara apagada). En cambio si se deja pasar una pequeña corriente entre la base

y el emisor (interruptor cerrado), el transistor entrará en saturación, es decir, dejará

circular corriente entre el colector y el emisor (lámpara encendida).

NOTA: Como se puede comprobar los dos circuitos representados son el mismo.

Solamente se ha cambiado la posición de la pila. Es necesario además colocar una

resistencia en la base (RB), con el fin de limitar la corriente que entre por la base del

transistor, para evitar deteriorarlo.

Un transistor puede trabajar en tres zonas denominadas zona de bloqueo, zona

activa y zona de saturación.

En la zona de bloqueo el transistor se comporta como un interruptor abierto, es

decir, no deja pasar corriente entre el colector y el emisor. En esta zona la

intensidad de base es nula.

En la zona de saturación el transistor se comporta como un interruptor cerrado, es

decir, deja pasar corriente entre el colector y el emisor. En esta zona la intensidad

de base es la máxima admisible.

En la zona activa dependiendo de la intensidad de base permitirá el paso de una

mayor o menor corriente entre colector y emisor. Esta es la zona utilizada para

amplificación.

Dichas zonas de funcionamiento se pueden ver en la figura 3.18, típica de los

transistores bipolares.

70


Una pequeña corriente entre base y emisor permite controlar corrientes mayores

entre colector y emisor. En muchos casos la corriente que emite un dispositivo es

demasiado débil como para producir cierto efecto, por ejemplo poner en marcha un

motor o hacer vibrar un altavoz. En estos casos hay que amplificar la señal por medio de

un circuito electrónico que emplee uno o varios transistores.

Por lo tanto, los transistores son componentes electrónicos que generalmente se

emplean para amplificar impulsos eléctricos, es decir, para obtener corrientes de salida de

mayor intensidad que las corrientes de entrada. La relación entre la corriente de salida y la

de entrada es lo que se conoce como amplificación o ganancia del transistor. 15, 16

Fig. 3.18.-Curvas características del transistor.

71


3.6.- Optoacopladores.

El acoplador óptico es un dispositivo de emisión y recepción de luz emitida por un

LED, La operación está basado en la detección de luz emitida. La entrada del acoplador

está conectada a un emisor de luz y la salida es un fotodetector. Los dos elementos están

separados por un aislante transparente y dentro de un empaque que lo aísla de la luz

exterior.

Hay muchos tipos de acopladores ópticos, todos ellos tienen una fuente de luz

infrarroja (LED), pero el detector puede ser: fotodiodo, fototransistor y laser como se


Un parámetro muy importante en los optoacopladores es la eficiencia, este

parámetro define qué cantidad de corriente necesitamos en el LED para obtener la salida

deseada. En el transistor y en el Darlington esto se llama Radio de transferencia de

corriente (CTR), esto es simplemente dividiendo la corriente de salida entre la corriente de

entrada requerida. En el caso de los de salida Schmitt trigger y el driver de triac la

eficiencia está definida por la cantidad de corriente requerida en el emisor para poder

disparar la salida (IFT). 15, 16

El otro parámetro importante en optoacopladores es el voltaje de aislamiento el

cual es de 7500 Volts durante 1 segundo.

CARACTERISTICAS

Salida y entrada eléctricamente aisladas.

Transmisión de señales de amplio ancho de banda.

Fig. 3.19.-Composicion del optoacoplador.

72


Aseguran la separación galvánica entre circuitos cuya diferencia de potencial es

elevada.

Evitan bucles de tierra.

Buen comportamiento con la frecuencia.

Reducción de peso y tamaño.

Alta fiabilidad.

Fácil interconexión con dispositivos lógicos.

Compacto, ligero y fiable.

TIPOS

Acopladores ópticos u optoacopladores.

Optointerruptores.

Fototiristores y fototriacs.

Relés de estado sólido.

CLASIFICACION

Tipo de excitación admitida a la entrada.

DC

AC

Configuración del elemento de salida.

Fototransistor simple.

Fototransistor Darlington.

Salida digital.

Funcionalidad Específica.

Alta sensibilidad.

Alta tensión colector-emisor.

73


Alta velocidad de respuesta.

Salida analógica.

3.7.- Diseño de Sistema para el riego en etapa de Germinación.

Una vez que se eligió la técnica hidropónica que cubriera las expectativas se

procedió a la automatización de los procesos en el desarrollo de la planta. Lo que llevó a la

primera etapa para el desarrollo de una planta; Germinación de la semilla, en este proceso

simplemente se tiene que mantener una humedad constante en la tierra. En la figura 3.21,

se puede observar de manera sencilla el funcionamiento del circuito para el riego en esta

primera etapa.

En la figura 3.21 se puede apreciar de manera sencilla el funcionamiento del

circuito para el Sistema de Germinación el cual se explica por Bloque a continuación:

Etapa Sensorial.- Se encarga de monitorear la humedad de la tierra, para

activar el riego cuando sea necesario.

Etapa Sensorial MSP430

Etapa Control

Fig. 3.21.- Diagrama a Bloques Sistema de Germinación.

Fig. 3.20.-Simbologia y fotografía del optoacoplador.

74


MSP430.- Aquí el Microcontrolador recibe los datos de la etapa anterior y

toma la decisión de activar el motor por medio de un Puente H y un

transistor para encender una bomba de Agua.

Puente H.- Se usa para hacer el movimiento vertical de ida y vuelta de

aspersor para tener un riego uniforme.

Riego.- En este bloque se activa una bomba de agua que por medio de un

aspersor moja de manera uniforme los germinadores para obtener una

humedad en la tierra idónea para el desarrollo de la plántula.

A continuación se explican a mayor detalle 2 etapas de dicho circuito en los que se

tuvo que trabajar con mayor énfasis para que el sistema funcionara con resultados

satisfactorios.

3.7.1.-Etapa Sensorial.

Para activar o detener todo el sistema depende de la humedad de la tierra, por lo

que se construyó un sensor para mantener dicha característica de la tierra, por lo que se

trabajó con un transistor Tipo NPN específicamente con el transistor BC547 configurado

como interruptor como se muestra en la figura 3.22, así como su Niveles de corte y

saturación.

Fig. 3.22.- BC547 como interruptor.

75


A continuación se explican las zonas de funcionamiento del transistor bipolar, que

se muestran en la figura 3.22:

ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente

de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este

parámetro lo suele proporcionar el fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una

corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con

la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer

su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay

que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro

para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el

circuito.

SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación

(potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el

colector y el emisor.

CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos

digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas

(y en especial Ic).

ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés. En la figura

3.23 se muestra el interruptor y como se colocaron dos puntas de prueba para detectar la

humedad en la tierra y con esto indicar cuando encender o detener el sistema de riego, se

colocaron dos de estos sensores conectados a una compuerta AND, la cual indica cuando

se necesita agua, es decir obtiene un promedio de la humedad en las charolas de

germinación, se pensó así para tener una mejor lectura de la humedad en la tierra y con

ello obtener un ahorro considerable de Agua, ya que con sólo un sensor el circuito se

estaría accionando con mayor frecuencia.

76


3.7.2.-Etapa de Control.

El Microcontrolador juega un papel importante en este Sistema, ya que conforme a

los datos que le son proporcionados por el Sensor de Humedad, determina si son

accionados o no los actuadores. En la tabla 3.4 se muestra la lógica de funcionamiento de

la etapa sensorial, la cual se conecta a la etapa de control, que se realiza con el

Microcontrolador MSP430G2231.

Sensor 1 Sensor2 Activa Sistema de Riego

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Salida hacia el MSP430

Fig. 3.23.- Sensor Humedad de Tierra.

Tabla 3.4.- Lógica para activación.

77


Cabe destacar que en esta etapa se encontró con el inconveniente que el riego era

muy irregular, por lo que se agregó un Puente H para la activación de un motor el cual

moverá el aspersor para tener un riego más uniforme. Este procesos se lleva a cabo de la

siguiente manera la etapa anterior activa el MSP430, las salidas en el puerto P1.0 y P1.6

son para el control del puente H cuando llegan a un costado de la estructura que se diseñó

para el riego en etapa de germinación presiona un botón el cual envía una señal al puerto

P1.3 el cual hace la función de conmutar los puertos P1.6 y P1.0, el P1.4 es independiente

y se activa para que la bomba de Agua cumpla con la función de hacer el riego.

Un Puente H Fig. 3.24 es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar

en ambos sentidos, avance y retroceso. Los puentes H están disponibles como circuitos

integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos. El

término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del circuito.

Fig. 3.24.- Puente H.

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado

78


Un puente H se construye con 4 interruptores. Cuando los interruptores S1 y S4

están cerrados se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido.

Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo

el giro en sentido inverso del motor. Con la nomenclatura que estamos usando, los

interruptores S1 y S2 nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque esto

cortocircuitaría la fuente de tensión. Lo mismo sucede con S3 y S4.

El Puente H construido con transistores bipolares (BJT) es la opción rápida, son

robustos, fáciles de diseñar, y controlar. La baja potencia que soportan y su muy baja

eficiencia son sus mayores limitaciones.

3.7.3.-Diagrama de flujo.

Para la realización del programa que controlará las acciones antes mencionadas

primero se debe de hacer un diagrama de flujo para facilitar el momento de programar,

por lo que en la figura 3.25, se hace referencia al diagrama de flujo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cortocircuito

79


Fig. 3.25.- Diagrama de Flujo

Sistema de Germinación.

80


3.7.4.-Circuito Eléctrico.

En la figura 3.26 se muestra el Circuito Eléctrico completo, el cual hace la función

del Riego en la Etapa de Germinación del Jitomate Tipo Bola.

Fig. 3.26.- Circuito Sistema Riego.

81


3.8.-Diseño del Circuito Eléctrico para el Sistema NFT.

El riego es importante para la vida de la planta, ya que aporta minerales y

nutrientes necesarios para que la planta pueda crecer. El sistema NFT brinda lo necesario

además de mantener un producto limpio.

+El funcionamiento del circuito del Sistema NFT de la figura 3.27 se basa en un

sistema fotosensible para el riego de la planta de jitomate. El Microcontrolador tiene la

función de sensar el nivel de Agua para que cuando no se optimo no se encienda la Bomba

de Agua y así evitar posibles averías.

Para el funcionamiento de dicho circuito se dividió en tres etapas, a continuación se

explica cada una:

A) Etapa fotosensible

B) Etapa de comparación para la protección de la bomba de agua

C) Etapa de activación bomba de agua de corriente alterna

La fotorresistencia o LDR (Light-Dependent-Resistor) es un componente fotosensible a

la luz. Ha diferencia de la resistencia fija donde el valor no varía, la fotorresistencia tiene

la particularidad de variar su valor en función de la luz que incide sobre ella, cuanto más

luz recibe más bajo es su valor y cuanto menos luz recibe más alto es su valor. Como se


Etapa Fotosensible MSP430

Circuito Protector Bomba

de Agua

Fig. 3.27.- Diagrama a Bloques Sistema NFT

82


:

En la figura 3.29 se puede observar un par de circuitos para la conexión de esta

etapa. La diferencia que hay de un circuito al otro es la posición de la LDR y la

resistencia fija y como consecuencia obtendremos una tensión de salida diferente en

ambos circuitos. Este circuito se conoce como un divisor de Voltaje, en este caso

formado por una resistencia fija en serie con la LDR.

En ambos circuitos se tiene un voltaje de entrada, este voltaje se reparte por las

dos resistencias ya que están en serie (ley de mallas de Kirchhoff), la tensión de la LDR y la

fija dependerá de la resistencia eléctrica de ambas.

Fig. 3.29.- Configuración LDR.

3.28.-Funcionamiento circuito fotosensible.

83


El funcionamiento en la figura 3.29 del circuito de la izquierda es como sigue:

cuando incide luz sobre la LDR esta baja su resistencia eléctrica aumentando la tensión

sobre la resistencia fija, como consecuencia obtendremos un tensión de salida baja (Nivel

lógico 0), por contra si mantenemos la LDR en la oscuridad aumenta su resistencia

eléctrica disminuyendo la tensión en extremos de la resistencia fija y obteniendo una

tensión de salida alta (Nivel lógico 1).

El circuito en la figura 3.29 de la derecha tiene un comportamiento inverso al de la

izquierda por la disposición de las resistencias. Su funcionamiento es como sigue: si

aplicamos luz sobre la LDR baja su resistencia y en consecuencia obtenemos una tensión

de Salida alta (Nivel lógico 1), en la oscuridad aumenta su resistencia y tenemos en su

salida un nivel bajo (Nivel lógico 0).

Con la explicación anterior se llegó al diseño de la etapa del circuito, el cual cuando

inicia su funcionamiento cuando la luz del día comienza a incidir sobre dicho circuito, y

dura un aproximado de 3horas, esto último depende de las condiciones climatológicas.

Para una mejor explicación se analiza la parte del circuito de la que se está haciendo

mención en la figura 3.30.

Hacia transistor

configurado como

interruptor.

Fig. 3.30.- Etapa

Fotosensible.

84


La función del Amplificador operacional es actuar como comparador no inversor;

un comparador es un circuito analógico que monitorea dos entradas de voltaje, una

llamada Voltaje de referencia (Vref) y el otro es llamado voltaje de entrada (Vin). Cuando

Vin se eleva por encima o cae por debajo del Vref el estado de la salida del comparador

cambia. En la figura 3.31 se muestra la configuración que se utilizó:

Para la etapa de activación, se observa en la figura 3.32, de todo el sistema se

utilizó un transistor para la activación del MSP430, el transistor seleccionado fue el

TIP31C, para tener la seguridad que actuara como interruptor se hicieron los siguientes

cálculos con la configuración mostrada:

Cuando el Vin excede a Vref

cambia la salida de un estado

bajo a alto.

Fig. 3.31.- Comparador no Inversor.

Hacia regulador

Del

comparador

Fig. 3.32.- TIP31 como

Interruptor.

85


Datos: Vin= 8.65Volts

Analizando por mallas para obtener el valor de las resistencias, las ecuaciones quedan de la siguiente manera:

𝑉𝑖𝑛 = 𝐼𝐵𝑅𝐵 + 𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡 ……………. (3.6)

𝑉𝑐𝑐 = 𝐼𝐶𝑅𝐶 + 𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡 …………..(3.7)

Despejando de Ecu. (3.7) para obtener RC

𝑅𝐶 =𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡

𝐼𝐶 …………..(3.8)

Sustituyendo Valores:

𝑅𝐶 =5𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠−0.3𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠

500𝑚𝐴= 9.4Ω……………….(3.9)

Valor comercial 10 Ω, el regulador LF33CV, basando la información en su hoja de

especificaciones mantiene un consumo de 500mA, para corroborar que valor de

resistencia elegir se hace con ley de Ohm:

86


𝐼 =𝑉

𝑅…………….(3.10)

Sustituyendo Valores en (3.10):

𝐼 =5𝑉

10Ω= 500𝑚𝐴 … … … … … . (3.11)

De (3.6) se obtiene:

𝑅𝐵 =𝑉𝑖𝑛−𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡

𝐼𝐵…………….(3.12)

Para obtener 𝐼𝐵:

ℎ𝑓𝑒 =𝐼𝐶

𝐼 𝐵…………..(3.13)

De (3.13)

𝐼𝐵 =𝐼𝐶

ℎ𝑓𝑒=

500𝑚𝐴

50= 10𝑚𝐴 … … … … … . (3.14)

Sustituyendo Valores en la ecuación (3.7):

𝑅𝐵 =5 − 0.7

10𝑚𝐴= 430Ω … … … … … . (3.15)

87


Valor comercial 470 Ω, para corroborar que valor de resistencia elegir se hace con ley de

Ohm:

𝐼 =𝑉

𝑅…………………(3.16)


𝐼 =5𝑉

430Ω= 11.6𝑚𝐴…………….(3.17)

Por último para el diseño de este Circuito se tiene que tomar en cuenta la resistencia para

la carga del Triac, por lo que se hacen los siguientes cálculos para determinar su valor de

la misma, así como los Watts necesarios para obtener un buen desempeño.

Los Datos de la Bomba de Agua que se utiliza para el riego en el Sistema NFT, se muestran

en la figura 3.30.

Aplicando simplemente la Ley de Ohm, obtenemos los datos de la resistencia a utilizar

para la carga del Triac.

𝑅 =𝑉

𝐼…………….(3.18)

Voltaje

AC (V)

Corriente

(A)

Valores

Ideales

120V 0.68A

Valores

Reales

130V 0.64A

Tabla. 3.5.- Características Bomba de Agua

88



𝑅 =130

0.68𝐴= 191.17Ω … … … … … . (3.19)

Valores Comerciales

Comprobando Valor a utilizar:

𝐼 =130𝑉

220Ω= 0.59𝐴…………….(3.20)

𝐼 =130𝑉

180Ω= 0.77𝐴…………….(3.21)

Para calcular los Watts a los que se tiene que poner la resistencia para soportar la Carga:

𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉………………(3.22)


𝑃 = (0.69𝐴)(130𝑉) = 89𝑊𝑎𝑡𝑡…………….(3.23)

220Ω

191.17Ω

180Ω

89


3.8.1.-Circuito Eléctrico.

Fig. 3.33.- Circuito eléctrico.

90


3.8.2.- Diagrama de Flujo.

Fig. 3.34.- Diagrama de

Flujo.

91


3.9.- Diseño de Circuito Eléctrico Sistema de Malla.

El circuito se basa en el Microcontrolador MSP430, el cual manda dos señales para la

activación del L293 que a su vez controla un motor de Corriente directa para bajar y subir la malla

sombra, para la protección del cultivo.

Como se ve en el diagrama a Bloques de la figura 3.35 el sistema responde a dos

Botones uno para subir la Malla y el otro para bajarla, el Microcontrolador manda la señal,

dependiendo que Botón fue presionado, al C. I. L293 para el control de un motor. Como se

tiene una carga inductiva se protege el Microcontrolador con un Optoacoplador en este

caso se utilizó el 4N35, en la figura 3.36 se muestra el diseño de los interruptores que se

realizaron con el transistor BC547 para el acoplamiento entre el Microcontrolador y los

Optoacopladores.

Botones MSP430 Etapa

Control

Fig. 3.35.- Diagrama a Bloques Sistema de Malla.

Fig. 3.36.- Acoplamiento.

92


Para obtener el valor de las resistencias se analizará solamente el primer transistor

(figura 3.37), ya que el segundo lleva la misma configuración.

Datos

Vcc= 15Volts

Corriente Necesaria para activar el 4N35 (obtenida de su hoja de datos) = 10mA

Analizando por mallas para obtener el valor de las resistencias, las ecuaciones

quedan de la siguiente manera:

𝑉𝑖𝑛 = 𝐼𝐵𝑅𝐵 + 𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡 ……….(3.24)

Fig. 3.37.- Acoplamiento

Transistor-Optoacoplador.

93


𝑉𝑐𝑐 = 𝐼𝐶𝑅𝐶 + 𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡 …………..(3.25)

Despejando de (3.25) para obtener RC

𝑅𝐶 =𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡

𝐼𝐶……………..(3.26)


𝑅𝐶 =15𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 − 0.3𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠

10𝑚𝐴= 1470Ω … … … … … . (3.27)

Valor comercial 1.5K Ω , el regulador 4N35, basando la información en su hoja de

especificaciones mantiene un consumo de 10mA, para corroborar que valor de resistencia

elegir se hace con ley de Ohm:

𝐼 =𝑉

𝑅…………….(3.28)


𝐼 =15𝑉

1.5𝐾Ω= 10𝑚𝐴 … … … … … . (3.29)

De (3.28) se obtiene:

94


𝑅𝐵 =𝑉𝑖𝑛−𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡

𝐼𝐵…………….(3.29)

Para obtener 𝐼𝐵:

ℎ𝑓𝑒 =𝐼𝐶

𝐼 𝐵……………(3.30)

De (3.30)

𝐼𝐵 =𝐼𝐶

ℎ𝑓𝑒=

10𝑚𝐴

800= 12.5 µ𝐴 … … … … … . (3.31)


𝑅𝐵 =15 − 0.7

12.5 µ𝐴= 1.19𝑀Ω … … … … … . (3.32)

Valores comerciales 1 𝑀Ω y 1.2 𝑀Ω, el Optoacoplador 4N35, basando la información en

su hoja de especificaciones mantiene un consumo de 10mA, para corroborar que valor de

resistencia elegir se hace con ley de Ohm:

𝐼 =𝑉

𝑅………...(3.33)


𝐼 =15𝑉

1𝑀Ω= 15µ𝐴…………….(3.34)

𝐼 =5𝑉

1.2𝑀Ω= 12.5µ𝐴…………….(3.35)

95


3.9.1.- Circuito Eléctrico.

3.3.2.-Diagrama de Flujo y Programa Malla

Fig. 3.38.- Circuito Eléctrico Sistema Malla.

96


3.9.2.- Diagrama de Flujo.

Fig. 3.39.- Diagrama

de Flujo.

97


3.10.- Diseño de Circuito de Control Temperatura y Humedad.

En la figura 3.40 se muestra a Bloques el sistema para el control de Temperatura y

Humedad, la etapa Sensorial se basa en el LM35 para sensar la temperatura y el HMZ para

la Humedad, la información es manipulada por el Microcontrolador y se transmiten vía

inalámbrica para la activación de los actuadores, los cuales modifican las condiciones de

Temperatura y Humedad.

3.10.1.- Diseño de Sensores.

Este circuito se llevara a cabo las funciones de sensar las variables que se estarán

controlando dentro del invernadero, la temperatura y la humedad.

Etapa

Sensorial MSP430

Transmisor

Fig. 3.40.- Diagrama a Bloques Sistema de Control Temperatura y Humedad.

Receptor

Actuadores

98


Para poder realizar esta labor se recurrió al Microcontrolador MSP430g2553 ya

que al contener un mayor número de puertos tiene además un convertidor analógico-

digital que será fundamental para el desarrollo del prototipo. Los sensores a utilizar son

los el LM35 para temperatura y HMZ-4331ª para humedad como se ha mencionado

anteriormente.

Además de utilizar los sensores se propuso que el Microcontrolador pudiera dar a

conocer el valor de cada variable en tiempo real por lo que se implementó un arreglo con

una LCD 16X2 en la cual se visualizan todos los valores de medición. Además se contara

con 4 LEDS indicadores los cuales tendrán una función en específico las cueles se activaran

según sea el caso.

Una de las variables a controlar es la temperatura, para lo cual manipularemos dos niveles

de temperatura.

20°C Nivel mínimo. (N.m.)

27°C Nivel máximo. (N.M.)

La otra parte del sistema que se implemento es el control de humedad, la cual de una

manera similar se tomarán dos niveles de humedad.

Nivel Mínimo 60%

Nivel Máximo 70%

En cualquiera de las dos variables y mientras se mantengan las condiciones, el sistema se

mantendrá inactivo, pero si por cualquier circunstancia se salga fuera de los imites

inferiores como superiores entonces se activara alguna de las salidas.

99


3.10.2.-Diagrama de Flujo Control de Temperatura y Humedad.

Fig. 3.41.- Diagrama de Flujo Control Temperatura y Humedad

100


3.10.3.- Circuito de Control de Temperatura y Humedad.

Fig. 3.4

2.-C

ircuito

Eléctrico C

on

trol Tem

peratu

ra y Hu

med

ad

101


3.10.4.- Transmisor y Receptor.

En esta parte del sistema se empleara una interfaz inalámbrica en la cual el micro

controlador MSP430G2553 controlara una serie de actuadores que cuya función es

modificar los condiciones dentro del invernadero con el propósito de mantener en un

rango determinado de valores como ya se mencionó con anterioridad la temperatura

oscilara entre los 20°C y 27°C mientras que la humedad se mantendrá en los límites de

60% y 70%. Para poder establecer este sistema dentro de las especificaciones requeridas

por el cultivo del jitomate se hace uso de 4 dispositivos a controlar según sea el caso, si la

temperatura sobrepasa los 27°C se activara un ventilador que baje la temperatura, si esta

baja a menos de 20°C entonces se activara un calentador que restablecerá a la

temperatura ideal. Caso similar se aplicara cuando existan variaciones en la humedad.

Para activar estos dispositivos actuadores se utilizara una interfaz inalámbrica ya

que si se utilizará una interfaz con cables de cobre como es habitual esta podría sufrir un

acelerado desgaste y por lo tanto una significativa reducción del ciclo de vida del sistema.

Los dispositivos utilizados para realizar la interfaz inalámbrica son los siguientes:

Transmisor

Receptor

Fig. 3.43.- Receptor-Actuador

102


3.10.5.-Diseño Circuito Actuadores.

Por último para el diseño de este Circuito las cargas son todas de Corriente Alterna por lo

que se tiene una mayor potencia y no es posible colocar resistencias de medio o un cuarto

de Watt, así que se tiene que tomar la corriente que consume las distintas cargas.

Ventilador para Calentar y Resistencia

Ventilador

Voltaje 130VAC

Corriente 8mA



𝑅 =𝑉

𝐼…………..(3.36)


𝑅 =130

8𝑚𝐴= 16.25𝐾Ω…………….(3.37)

Valor Aproximado y Valores Comerciales

18KΩ

16KΩ

15KΩ

103



𝐼 =130𝑉

18𝐾Ω= 7.22𝑚𝐴…………….(3.38)

𝐼 =130𝑉

15𝐾Ω= 8.66𝑚𝐴…………….(3.39)


𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉……………..(3.40)


𝑃 = (8𝑚𝐴)(130𝑉) = 1.04𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠…………….(3.41)

Resistencia

Voltaje 130VAC

Corriente 144mA



𝑅 =𝑉

𝐼…………(3.42)

Sustituyendo Valores (3.42):

𝑅 =130

144𝑚𝐴= 902.77Ω…………….(3.43)

104


Valor aproximado y Valores Comerciales


𝐼 =130𝑉

1𝐾Ω= 130𝑚𝐴…………….(3.44)

𝐼 =130𝑉

820Ω= 158.5𝑚𝐴…………….(3.45)


𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉……………..(3.46)


𝑃 = (144𝑚𝐴)(130𝑉) = 18.72𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 … … … … … . (3.47)

Motores Ventilador Enfriar y Ventilar

Voltaje 130VAC

Corriente 8mA



𝑅 =𝑉

𝐼……………(3.48)


1KΩ

902Ω

820Ω

105


𝑅 =130

8𝑚𝐴= 16.25𝐾Ω … … … … … . (3.49)



𝐼 =130𝑉

18𝐾Ω= 7.22𝑚𝐴 … … … … … . (3.50)

𝐼 =130𝑉

15𝐾Ω= 8.66𝑚𝐴 … … … … … . (3.51)


𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉……………..(3.52)


𝑃 = (8𝑚𝐴)(130𝑉) = 1.04𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 … … … … … . (3.53)

Motor Bomba de Agua, utilizado para Nebulizar

Voltaje 15 VCD

Corriente 233mA

Aplicando simplemente la Ley de Ohm, obtenemos los datos de la resistencia a utilizar:

𝑅 =𝑉

𝐼………….(3.54)

18KΩ

16KΩ

15KΩ

106



𝑅 =15

233𝑚𝐴= 64.37Ω … … … … … . (3.55)



𝐼 =15𝑉

68Ω= 220.58𝑚𝐴…………….(3.56)

𝐼 =15𝑉

56Ω= 267.85𝑚𝐴 … … … … … . (3.57)


𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉……………..(3.58)


𝑃 = (233𝑚𝐴)(15𝑉) = 3.495𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 … … … … … . (3.59)

3.10.6.- Circuito Actuadores.

En la fig. 3.44 se muestra el diagrama del circuito inalámbrico en su etapa de recepción

además de su etapa de acoplamiento para los dispositivos de control, los cuales

mantienen las condiciones ideales para el desarrollo del desarrollo.

68Ω

64Ω

56Ω

107


Fig. 3.4

4.- C

ircuito

Actu

ado

res

109

CAPITULO IV “PRUEBAS Y RESULTADOS”

En este capítulo se mostraran las pruebas realizadas y los resultados obtenidos en

todo el proceso que se realizó para satisfacer y dar solución al sistema propuesto para el

cultivo del jitomate tipo bola.

Las pruebas se efectuaron de forma preliminar en el protoboard, tomando como

una primera evaluación, para corroborar que se cumplen los requerimientos de diseño,

los cuales deben de cumplir las condiciones ideales para el desarrollo de la planta del

jitomate, posteriormente al obtener pruebas satisfactorias en esta etapa, se procedió a la

elaboración de los circuitos impresos que se volvieron a observar en funcionamiento,

hasta obtener un resultado grato, esto se realizó para la posible detección de fallas. Las

evaluaciones fueron periódicas evaluando su funcionamiento y proporcionando ciertas

observaciones las cuales serán implementadas en un próximo diseño de mayor

complejidad.

4.1.- Germinación

La germinación es el proceso mediante el cual una semilla se desarrolla hasta

convertirse en una planta. Este proceso se lleva a cabo cuando el embrión aumenta de

tamaño y la cubierta de la semilla se rompe como se muestra en la figura 4. Para lograr

esto, toda nueva planta requiere de elementos básicos para su desarrollo: temperatura,

agua, oxígeno y sales minerales.

Fig. 4.- Proceso Germinación

http://es.wikipedia.org/wiki/Semilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Planta

http://es.wikipedia.org/wiki/Embri%C3%B3n_%28Bot%C3%A1nica%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Sales_minerales

110


En este proceso se llevó a cabo con un circuito para la automatización del Riego

para que existiera una humedad suficiente para que se llevara con satisfacción la etapa de

Germinación en la semilla de Jitomate. Para obtener la humedad deseada se realizó una

punta de prueba que conforme no existiera humedad en la tierra se activa el sistema

hasta que llegue a la humedad deseada el sistema se detiene, esta tarea la realiza un

transistor configurado como interruptor.

En la figura 4.1 se muestran el Transistor configurado como interruptor y su

encapsulado que se le realizó para protegerlo del agua y la humedad, generada por el

aspersor, así como el montaje final en las charolas de Germinación donde cumplirán el

objetivo de monitorear la humedad de la tierra.

Fig.4.1.-Configuración de Transistor como Interruptor

Fig. 4.1.- Encapsulado de Transistor

111


La punta de prueba que detectará la humedad de la tierra y el montaje del sensor

en el semillero de Germinación se muestra en la figura 4.2, cabe destacar que se

obtuvieron resultados satisfactorios en el aislamiento del circuito para que no sufriera

ningún daño por las condiciones de humedad a las que es sometido.

Teniendo el sistema listo se realizó una siembra de tipo indirecta por medio de un

semillero o germinador, ya que el desarrollo de la planta será en un sistema hidropónico,

el cual no necesita ningún tipo de sustrato. Se pueden observar las etapas de dicho

proceso en la figura 4.3.

En esta etapa las semillas únicamente requerirán de un riego con agua, se aclara

que no necesitan algún tipo de nutriente, para mantener la humedad en el sustrato.

Fig. 4.2.- Montaje Sensor Humedad

Fig. 4.3.- Siembra de Semilla

112


El proceso se desarrolla en mejor forma cuando se da bajo condiciones de

esterilidad, como por ejemplo en sustrato para macetas, donde no tienen que competir

contra malezas ni defenderse contra patógenos y plagas. La germinación requiere de

humedad continua para que la semilla logre los niveles apropiados de contenido de agua.

El proceso comienza cuando la semilla llega a un nivel de 30% de humedad. Se

puede verificar la germinación entre 12 y 15 días después de la siembra, siendo esto una

constante en la mayoría de las variedades de ésta semilla. Como se muestra el resultado

satisfactorio en la figura 4.4.

Fig. 4.4.- Primeras Plántulas

113


La estructura en la cual se montará el sistema de riego para la germinación quedó de la

figura 4.6 manera:

Motor

Interruptores para cambiar el

sentido del motor

Aspersor

Fig. 4.6.- Elaboración y Montaje, estructura para Germinación

114


Como se muestra en la imagen 4.6 los elementos del Sistema de riego, se puede observar el aspersor, elemento que se cambió en varias ocasiones hasta obtener un riego uniforme y suficiente, las pruebas y resultados se muestran en la figura 4.7

.

El área que cubre cada micro aspersor es reducida pero bastante uniforme, estos

es parte del sistema de riego por micro aspersión.

Un sustrato es un medio sólido e inerte, que protege y da soporte a la planta para

el desarrollo de la raíz en las hortalizas y flores, permitiendo que la “solución nutritiva” se

encuentre disponible para su desarrollo. Los Sustratos que se utilizaron y con los que se

hicieron pruebas se muestran en la figura 4.8, así como los resultados que se obtuvieron.

Micro-aspersor tipo vertical de boquilla verde con gasto de 82.5 l/h con un diámetro de 3.9 m aplica el agua en forma de lluvia fina.

Gasto l/h

82.5

Resultados

Humedad excesiva

para la

Germinación del

Jitomate

Micro-aspersor tipo colgante de boquilla negra con gasto de 34 l/h y un diámetro 3.6 mm aplica el agua en forma de lluvia fina.

Gasto l/h

34

Resultados

Humedad

insuficiente para

la Germinación

del Jitomate

Pulverizador de boquilla verde

con gasto de 66l/h con un

diámetro de 1.30 m para el

control de la humedad en un

vivero

Gasto l/h

66

Resultados

Humedad idónea

para la

Germinación del

Jitomate

Fig. 4.7.- Resultados Aspersor para Riego en la etapa de Germinación



115


Cabe destacar que después de hacer pruebas con distintas mezclas de sustratos, el

que se utilizó fue el que es distribuido por ALUX DE MEXICO, obteniendo mejores

Fig. 4.8.- Prueba de Sustratos

Sustrato Plántula a los 20 días Plántula a los 40 días

50% Tepetate

50% Tierra

Vivero

30% Arena

70% Tierra

Vivero

60% Tezontle

40% Tierra

Vivero

116


resultados que con otros sustratos, como el tezontle, arena, tepetate y en combinaciones

de estos últimos mencionados.

Una vez obtenidos resultados satisfactorios con la planta se realizaron pruebas en

el circuito y al observar con mayor detenimiento el comportamiento de los sensores de

contacto se encontró un inconveniente, ya que en este tipo de sensor existe un fenómeno

llamado “rebote” el cual provoca falsas lecturas lo cual deriva en funcionamiento errático

en el recorrido del aspersor. Para poder solucionar este inconveniente se colocó un

capacitor cerámico en paralelo a la interfaz entre el sensor de contacto y la entrada del

microprocesador. Después de haber corregido dicha falla se volvió a realizar pruebas de

funcionamiento al sistema durante periodos largos de tiempo sin encontrar falla alguna en

el sistema, y obteniendo excelentes resultados en el desarrollo de la planta (fig. 4.9) por lo

que se dio como satisfactorio el resultado del Sistema de Germinación (fig. 4.10).

Fig. 4.9.-Sistema

Corregido

Fig. 4.10.- Sistema de Germinación

117


4.2.-Riego

El sistema elegido para el riego fue el NFT por sus siglas en inglés (Nutrition Film

Technique), la cual brinda una mayor limpieza en el cultivo, por no utilizar ningún tipo de

sustrato, ya que el desarrollo de la planta se lleva en un sistema de circulación de agua, el

cual para seguir con la idea de hacer algo por el medio ambiente, se buscaron materiales

de recicle encontrando en la estructura mostrada en la figura 4.11 la condiciones para el

flujo de agua e implementación del sistema NFT.

El sistema se construyó con tubos de PVC de 2” y manguera color negro para evitar

que se reprodujeran bacterias, ya que se coloca una sustancia nutritiva para el desarrollo

de las plantas, el trabajo con el tubo de PVC es el siguiente:

Fig. 4.11.- Estructura para Sistema NFT

118


En la figura 4.12 se muestra el corte de los tubos y el proceso de unirlos con las

tapas y armar el sistema en desnivel para que se inunden los niveles y las plantas

absorban la sustancia nutritiva.

En la figura 4.13 se muestra el procedimiento para trasplantar las plántulas del

jitomate en el sistema NFT se tiene que preparar el envase que tendrá las plantas en el

resto de su desarrollo, con una espuma la cual le dará soporte a la planta y el proceso fue;

cortar la espuma en tramos de 10cmx4cm aproximadamente.

Fig. 4.12.- Sistema NFT

Fig. 4.13.- Preparación para trasplante

119


Se hicieron los hoyos en el tubo de PVC, dependiendo de la medida de los envases

a utilizar, ya que existen varias medidas y las cuales dependen de la planta que se vaya a

desarrollar por lo que en este caso la medida ideal para la planta de jitomate es 1 pulgada

¾, como se muestra en las imágenes (Fig. 4.14):

Fig. 4.14.- Trasplante de Plántulas al Sistema NFT

120


Las pruebas realizadas en este Sistema, consistían en determinar el tiempo de

riego, así como el intervalo en que se dejaba sin agua a la planta y los resultados se

muestran en la figura 4.15.

Intervalo de

Riego

Características

De la Planta

1

(8hrs-20hrs)

Hojas amarillas, algunas

se

cayeron

2

(8hrs-16hrs)

3

(8hrs-12hrs)

Hoja Opaca y Cerrada

4

(8hrs-10)

5

(8hrs-14hrs)

La Planta se desarrolló

con mejores resultados.

Fig. 4.15.- Resultados Riego Sistema NFT

121


En la figura 4.15, los resultados en los intervalos 1, 2, 3 y 4 fueron desalentadores

ya que las plantas no pudieron resistir y murieron, ya que las pruebas eran por tiempo

prolongado y en ocasiones se confundía con algún tipo de plaga, pero todo fue por exceso

de agua en los primeros dos y por falta de ella en los intervalos 3 y 4. El proceso fue largo

para encontrar un intervalo en el cual la planta se desarrollara con éxito, como se muestra

en el intervalo 5 de la figura 4.15.

Cabe destacar que los resultados obtenidos en esta etapa fueron totalmente

satisfactorios en la parte de electrónica desde un principio y fue el sistema que se estuvo

en monitoreo mayor tiempo que los demás, ya que las plantas ya se tenían y no se podía

suspender el suministro de agua y nutrientes, por lo tanto lo único que se hizo fue mejorar

el sistema de tubería, ya que se encontraban muchas fugas de agua, por lo que se utilizaba

silicón y se observaron cambios dañinos en las plantas, se decidió a cambiar toda la

estructura, quedando de forma final como se muestra en la figura 4.16.

Fig. 4.16.- Sistema

de Riego NFT

122


4.3.-Temperatura y Humedad

En esta etapa se comenzó a trabajar con la estructura que se muestra en la

figura 4.17 y todo el sistema cableado y el control de temperatura y humedad de forma

independiente, por lo que se usaban dos Microcontroladores, aumentando costos y

consumo de energía.

No se pudieron observar condiciones de deterioro en los cables, por el corto

tiempo de pruebas a las que fueron sometidos, pero analizando las condiciones de

humedad en un invernadero se optó por hacer el sistema de forma inalámbrica para evitar

el contratiempo y el mal funcionamiento de los actuadores por el deterioro de los cables y

la implementación de un solo Microcontrolador, para obtener un consumo mínimo de

energía y una simplificación en el circuito eléctrico. La nueva estructura para la

implementación del sistema de control y temperatura se muestra en la figura 4.18 con la

que se siguieron las pruebas, cabe destacar que las tarjetas, así como los actuadores se

sometieron a pruebas de tiempo prolongado, obteniendo resultados satisfactorios en la

parte de electrónica.

Fig. 4.17.- Estructura de Prueba

123


Una vez obteniendo los resultados satisfactorios en la parte de la comunicación y

la electrónica se dio a la tarea de indagar más en la planta de jitomate, encontrando

cambios en las condiciones ideales para el desarrollo de dicho cultivo, dicha información

se muestra en la figura 4.19.

Fig. 4.18.- Estructura Final Sistema de Humedad

124


Condiciones Rangos Resultados Imagen

Condiciones

ideales Iniciales

Temperatura

(°C)

20-30°C

Más de 28 °C la

fotosíntesis

disminuye

formando hojas

más pequeñas,

tallos más

delgados que

ocasionan

desprendimiento

de ramas y

racimos

pequeños

Condiciones

ideales Iniciales

Humedad (%)

60-70%

No hubo

problemas

El desarrollo de la

planta es idóneo.

Condiciones

ideales

ajustadas

Temperatura

(°C)

20-27°C

El desarrollo de la

planta es idóneo

fuerte y fruto

abundante.

Condiciones

ideales

ajustadas

Humedad (%)

60-70%

Se mantuvieron

las mismas que las

de inicio

Fig. 4.19.- Resultados en Sistema de Temperatura y Humedad

126

CONCLUSIÓN

La posibilidad de producir alimento de alta calidad, resulta hoy en día de gran

importancia; sin embargo su factibilidad está limitada por el rápido crecimiento de la

población lo que conlleva al aumento de las exigencias del mercado en calidad y sanidad

del producto llevó a una extensa investigación, cálculos y pruebas realizadas en los

Sistemas de Germinación, Riego con un sistema NFT y Control de humedad y temperatura,

se realizó un diseño innovador para un prototipo de Invernadero automatizado e

inalámbrico para jitomate tipo bola, con ambiente controlado, que permite mantener las

condiciones en los parámetros adecuados para el cultivo de dicho jitomate, por lo que se

cumplen los objetivos de manera satisfactoria.

Luego de las pruebas realizadas, tanto de software como el hardware se corroboró

que los diferentes sistemas dentro del prototipo son innovadores, confiables y eficientes,

ya que estuvieron a prueba por jornadas de tiempo considerables. Lo primordial, fue la

etapa sensorial, ya que es de suma importancia que los sensores funcionen de forma

correcta, para obtener mediciones correctas y el monitoreo de las condiciones dentro del

invernadero, se mantengan dentro de los parámetros establecidos. Por lo que siguen los

actuadores, que son la otra parte vital para mantener las condiciones ideales dentro del

invernadero.

127

CONCLUSIÓN

Resaltando que lo más destacable del prototipo es la comunicación inalámbrica, la cual

pudo corroborar el envío de datos de manera satisfactoria en cada uno de los sensores,

activando así cada actuador para cumplir con su función, calentar el ambiente, enfriar el

ambiente, nebulizar y ventilar el interior del prototipo.

El problema más notorio al que se enfrentó en dicho trabajo, fue la manipulación

de los datos que provenían de los sensores, para hacer la interfaz de comunicación

inalámbrica, lo cual se solucionó con el MSP430 y el transmisor TWS-BS y el receptor RSW-

374, con lo que se da por terminado dicho prototipo, con un funcionamiento estable.

Así que para concluir con dicho trabajo de tesis, se destaca que se cumplieron los

objetivos presentados en la realización del Prototipo, cabe destacar que se tienen varias

propuestas para mejorar el diseño y funcionalidad del trabajo, uno de ellos es agregar un

diseño gráfico como LabView y poder monitorearlo mediante un servidor.

129

ANEXO: HOJAS DE ESPECIFICACIONES

A.1 Hojas de Especificaciones.

The 4N35, 4N36 and 4N37 devices consist of a gallium arsenide infrared emitting diode optically coupled to

a monolithic silicon phototransistor detector.

• Current Transfer Ratio — 100% Minimum @ Specified Conditions

• Guaranteed Switching Speeds

• Meets or Exceeds all JEDEC Registered Specifications

• To order devices that are tested and marked per VDE 0884 requirements, the suffix

”V” must be included at end of part number. VDE 0884 is a test option.

Applications

• General Purpose Switching Circuits

• Interfacing and coupling systems of different potentials and impedances

• Regulation Feedback Circuits

• Monitor & Detection Circuits

• Solid State Relays

MAXIMUM RATINGS (TA = 25°C unless otherwise noted)

Rating Symbol Value Unit

INPUT LED

Reverse Voltage VR 6 Volts

Forward Current — Continuous IF 60 mA

LED Power Dissipation @ TA = 25°C with

Negligible Power in Output Detector

Derate above 25°C

PD 120

1.41 mW

mW/°C

OUTPUT TRANSISTOR

Collector–Emitter Voltage VCEO 30 Volts

Emitter–Base Voltage VEBO 7 Volts

Collector–Base Voltage VCBO 70 Volts

Collector Current — Continuous IC 150 mA

SCHEMATIC

PIN1. LED ANODE LED CATHODE 2.

3. N.C. 4. EMITTER 5. COLLECTOR

BASE 6.

STANDARD THRU HOLE CASE 730A–04

STYLE 1 PLASTIC

1

2

3

6

5 4

6 1

130


Detector Power Dissipation @ TA = 25°C

with Negligible Power in Input LED Derate

above 25°C

PD 150

1.76 mW

mW/°C

TOTAL DEVICE

Isolation Source Voltage(1) ( Peak ac Voltage, 60 Hz, 1 sec Duration )

VISO 7500 Vac(pk)

Total Device Power Dissipation @ TA = 25°C

Derate above 25°C

PD 250

2.94 mW

mW/°C

Ambient Operating Temperature Range(2) TA –55 to +100 °C

Storage Temperature Range(2) Tstg –55 to +150 °C

Soldering Temperature (10 sec, 1/16″ from case) TL 260 °C

1. Isolation surge voltage is an internal device dielectric breakdown rating. 1. For this test, Pins 1 and 2 are common, and Pins 4, 5 and 6 are common. 2. Refer to Quality and Reliability Section in Opto Data Book for information on test conditions. Preferred devices are Motorola recommended choices for future use and best overall value.

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25°C unless otherwise noted)(1)

Characteristic Symbol Min Typ(1) Max Unit

INPUT LED

Forward Voltage (IF = 10 mA) TA = 25°C

TA = –55°C

TA = 100°C

VF 0.8

0.9 0.7

1.15

1.3 1.05

1.5

1.7 1.4

V

Reverse Leakage Current (VR = 6 V) IR — — 10 µA

Capacitance (V = 0 V, f = 1 MHz) CJ — 18 — pF

OUTPUT TRANSISTOR

Collector–Emitter Dark Current (VCE = 10 V, TA = 25°C)

Collector–Emitter Dark Current (VCE = 30 V, TA = 100°C)

ICEO — —

1 —

50 500

nA

µA

Collector–Base Dark Current (VCB = 10 V) TA = 25°C

TA = 100°C

ICBO — 0.2

100 20 —

nA

Collector–Emitter Breakdown Voltage (IC = 1 mA) V(BR)CEO 30 45 — V

Collector–Base Breakdown Voltage (IC = 100 µA) V(BR)CBO 70 100 — V

131


Emitter–Base Breakdown Voltage (IE = 100 µA) V(BR)EBO 7 7.8 — V

DC Current Gain (IC = 2 mA, VCE = 5 V) hFE — 400 — —

Collector–Emitter Capacitance (f = 1 MHz, VCE = 0) CCE — 7 — pF

Collector–Base Capacitance (f = 1 MHz, VCB = 0) CCB — 19 — pF

Emitter–Base Capacitance (f = 1 MHz, VEB = 0) CEB — 9 — pF

COUPLED

Output Collector Current TA = 25°C

(IF = 10 mA, VCE = 10 V) TA = –55°C

TA = 100°C

IC (CTR)(2) 10 (100) 4 (40) 4 (40)

30 (300) — —

— — —

mA (%)

Collector–Emitter Saturation Voltage (IC = 0.5 mA, IF = 10 mA) VCE(sat) — 0.14 0.3 V

Turn–On Time

(IC = 2 mA, VCC = 10 V, RL

= 100 Ω)(3)

ton — 7.5 10 µs

Turn–Off Time toff — 5.7 10

Rise Time tr — 3.2 —

Fall Time tf — 4.7 —

Isolation Voltage (f = 60 Hz, t = 1 sec) VISO 7500 — — Vac(pk)

Isolation Current(4) (VI–O = 3550 Vpk) 4N35 Isolation

Current (VI–O = 2500 Vpk) 4N36

Isolation Current (VI–O = 1500 Vpk) 4N37

IISO — — —

— — 8

100 100 100

µA

Isolation Resistance (V = 500 V)(4) RISO 1011 — — Ω

Isolation Capacitance (V = 0 V, f = 1 MHz)(4) CISO — 0.2 2 pF

1. Always design to the specified minimum/maximum electrical limits (where applicable).

2. Current Transfer Ratio (CTR) = IC/IF x 100%. 3. For test circuit setup and waveforms, refer to Figure 11. 4. For this test, Pins 1 and 2 are common, and Pins 4, 5 and 6 are common.

132


133


134


135


136


137


138


139


Check for Samples: LM741

1FEATURES DESCRIPTION

2• Overload Protection on the Input and Output The LM741 series are general purpose operational

• No Latch-Up When the Common Mode Range amplifiers which feature improved performance over industry

standards like the LM709. They are direct,

is Exceeded plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications.

The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and output, no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations.

The LM741C is identical to the LM741/LM741A except that

the LM741C has their performance ensured over a 0°C to

+70°C temperature range, instead of −55°C to +125°C.

Connection Diagrams

LM741H is available per JM38510/10101

Figure 1. TO-99 Package Figure 2. CDIP or PDIP Package

See Package Number LMC0008C See Package Number NAB0008A, P0008E

Figure 3. CLGA Package

LM7

4

1

www.ti.co m SNOSC25C – MAY 1998 – REVISED MARCH 2013

LM74

1

Operationa

l

Amplifie

r

http://www.ti.com/product/lm741#samples

http://www.ti.com/product/lm741?qgpn=lm741




http://www.ti.com/

http://www.ti.com/

140


LM741 SNOSC25C –MAY 1998–REVISED MARCH 2013 www.ti.com

Typical Application

Figure 4. Offset Nulling Circuit

These devices have limited built-in ESD protection. The leads should be shorted together or the

device placed in conductive foam during storage or handling to prevent electrostatic

damage to the MOS gates.

Absolute Maximum Ratings(1)(2)(3)

LM741A LM741 LM741C

Supply Voltage ±22V ±22V ±18 V

Power Dissipation (4) 500 mW 500 mW 500 mW

Differential Input Voltage ±30V ±30V ±30 V

Input Voltage (5) ±15V ±15V ±15 V

Output Short Circuit Duration Continuous Continuous Continuous

Operating Temperature Range −55°C to +125°C −55°C to +125°C 0°C to +70°C

Storage Temperature Range −65°C to +150°C −65°C to +150°C −65°C to +150°C

Junction Temperature 150°C 150°C 100°C

Soldering Information

P0008E-Package (10 seconds) 260°C 260°C 260°C


http://www.ti.com/

141


NAB0008A- or LMC0008C-Package (10

seconds)

300°C 300°C 300°C

M-Package

Vapor Phase (60 seconds) 215°C 215°C 215°C

Infrared (15 seconds) 215°C 215°C 215°C

ESD Tolerance (6) 400V 400V 400 V

(1) “Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device is functional, but do not ensure specific performance limits.

(2) For military specifications see RETS741X for LM741 and RETS741AX for LM741A.

(3) If Military/Aerospace specified devices are required, please contact the TI Sales Office/Distributors for availability and specifications.

(4) For operation at elevated temperatures, these devices must be derated based on thermal resistance, and Tj max. (listed under “Absolute Maximum Ratings”). Tj = TA + (θjA PD).

(5) For supply voltages less than ±15V, the absolute maximum input voltage is equal to the supply voltage.

(6) Human body model, 1.5 kΩ in series with 100 pF.

Electrical Characteristics(1)

Parameter Test Conditions

LM741A LM741 LM741C

Units

Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max

Input Offset

Voltage

TA = 25°C

RS ≤ 10 kΩ 1.0 5.0 2.0 6.0 mV

RS ≤ 50Ω 0.8 3.0

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX

RS ≤ 50Ω 4.0 mV

RS ≤ 10 kΩ 6.0 7.5

142


Average Input

Offset Voltage

Drift

15

μV/°C

(1) Unless otherwise specified, these specifications apply for VS = ±15V, −55°C ≤ TA ≤ +125°C

(LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these specifications are limited to 0°C ≤ TA ≤

+70°C.

143


144


145


146


147


148


149


Diagrama esquemático del circuito Transmisor

Lista de materiales empleados para el Transmisor:

• 1 Módulo Transmisor TWS-BS3

• 1 C.I. Encoder HT12E

• 1 Dip Switch de 8 Líneas

• 1 Antena de 30 cm. Recomendado

• 4 Resistencias de 220ohms a ¼ de Watt

• 1 Resistencia de 1Mohm a ¼ de Watt

• 4 Push Button de 2 terminales

• 1 Batería de 9V.

• 1 Broche para batería de 9V

.Robodacta.com. E-mail: [email protected].

150


Diagrama esquemático del circuito Receptor

Lista de materiales empleados para el Receptor:

• 1 Módulo Receptor RWS-371-6

• 1 C.I. Decoder HT12D

• 1 Dip Switch de 8 Líneas

• 1 Antena de 30 cm. Recomendado

• 4 Resistencias de 220ohms a ¼ de Watt

• 1 Resistencia de 47Kohms a ¼ de Watt

• 4 Diodos Led

• 1 Regulador de Voltaje 7805

• 1 Capacitor de 10 μF 25v.

• 1 Batería de 9V

• 1 Broche para Batería de 9V

152

GLOSARIO

Sustrato: Medio en el que se desarrollan una planta o un animal fijo.

Pluviometría: Parte de la meteorología que estudia la distribución de las lluvias o las preci

pitaciones según el espacio geográfico y las estaciones del año.

Interfaz: Dispositivo que permite conectar dos aparatos o circuitos.

Aspersor: Mecanismo que esparce o dispersa un líquido a presión, como el agua para el

riego o los herbicidas químicos.

Pulverizador: Instrumento que sirve para esparcir un líquido en gotas muy pequeñas

sobre un lugar.

Inerte: Se emplea para referirse a aquello que se caracteriza por la falta de vida, de

movilidad

PVC: Es el derivado del plástico más versátil.

Ojiva: Figura formada por dos arcos de círculo iguales que se cortan en ángulo.

Parral: conjunto de tallos unidos a un armazón formando una cubierta.

Pluvial: Distribución de lluvias que se produce sobre una región geográfica.

Fructos: Se presenta en las frutas maduras, en el néctar de lasflores y en la miel.

Follaje: Conjunto de hojas y ramas de un árbol, arbusto o planta

Estigma: Engrosamiento terminal del estilo de la flor en cuya superficie se recibe el polen.

Hidropónica: es una técnica que permite cultivar en pequeña o gran escala, sin necesidad

de suelo como sustrato. Incorporando los nutrientes que la planta necesita para crecer a

través del riego.

Microcontrolador: Un microcontrolador es un circuito integrado programable, capaz de

ejecutar las órdenes grabadas en su memoria.

153

GLOSARIO

Transistor: dispositivo semiconductor que cuenta con tres terminales, los que son utilizados como

amplificador e interruptor. Una pequeña corriente eléctrica, que es aplicada a uno de los

terminales, logra controlar la corriente entre los dos terminales.

Triac: Es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de

corriente promedio a una carga.

Diodo: es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente

eléctrica a través de él en un solo sentido.

Opto-acoplador: es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor

activado mediante la luz emitida por un diodo led que satura un componente opto-electrónico.

Fotorresistencia: es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que lo

ilumina. Los valores de una fotorresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está

totalmente a oscuras varía.

Resistencia: Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un

circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas

o electrones.

155

BIBLIOGRAFIA

1.- Nicolás Castilla Prados, Invernaderos de plástico. Tecnología y manejo. 2° Edición,

Mundi-Prensa.

2.- Fernando Nuez, El cultivo del tomate. Mundi-Prensa, 1o Edicion, 1995.

3.- A. Alpi y F. Tognoni, Cultivo en Invernadero, Mundi-Prensa, 3ra Edición, 1990.

4.- Financiera Rural. 2009. Monografía Tomate Rojo. México D.F.

5.- SAGARPA. 2010. Jitomate. Monografía de Cultivos. Subsecretaría de Fomento a los

Agronegocios. México D.F.

6.-Manual de Manejo Sustentable Del Cultivo de Jitomate en Invernadero, A. C. Opic,

1998.

7.- El Cultivo del tomate, Fernando Nuez, Editorial Mundi Presa, 1995.

8.- MSP430 C Compiler Programming Guide.

9.- Digital Communications Fundamentals and Applications Second Edition Bernard Sklar.

10.- Sistemas de Comunicación Digitales y Analógicos, Leon W. Couch, II.

11.- Sistemas de Comunicación, Haykin, Simon, Limusa Wiley, 2002.

12.- Carlson, A. Bruce, Communications Systems , Fourth Edition, Mc. Graw Hill, USA,

2002.

13,- John H. Davis. MSP430 Microcontrolers Basic.

14.- MSP430 Optimizing C/C++ Compiler v 4.3 User's Guide

15.- Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, Robert L. Boylestad, Louis

Nashelsky. Pearson Prentice-Hall. 8° Edicion.

16.- Fundamentos de sistemas digitales Thomas L. Floyd Pearson Educación, 2000

http://www.financierarural.gob.mx/informacionsectorrural/Documents/Monografias/Monograf%C3%ADas%20Anteriores/Monograf%C3%ADaJitomate%28jun2009%29LC.pdf

http://www.sagarpa.gob.mx/agronegocios/Documents/pablo/Documentos/Monografias/Jitomate.pdf

http://www.google.com.mx/search?tbo=p&tbm=bks&q=inauthor:%22Thomas+L.+Floyd%22