DISEÑO DE SEGUIDOR PARA LUZ MEDIANTEFOTORRESISTENCIAS

Franklin Jancovick varón huertasEstudiante de ingeniería electrónica

Código:161003027varon95_2011@hotmail.com

Jesús Camilo Villamil RomeroEstudiante de ingeniería electrónica

Código:161003021

RESUMEN: Dadas las implicaciones dela asignatura instrumentación electrónicaII en la cual se realizan un estudiominucioso de los sensores electrónicos,considerando el gremio de los sensoresresistivos, para este casi se evaluara eldesempeño de la fotorresistencia, pueseste sensor presenta un gran margen deaplicación en la industria; con esta sediseñara un sistema capaz de seguir lamayor intensidad de luz incidente en lamatriz de fotorresistencias.

1 INTRODUCCIÓN

1.1 CONTEXTO

El autor Johnny Alejandro Marulandadiseño un sistema de control, basado enfotorresistencias, las cuales a razón de lailuminación controlaban un motor DC, elcual estaba encargado de mantener [1]

El autor Daniel Álvarez Cardona, en elTecnológico de Estudios Superiores deEcatepec, diseño e implemento unsistema de iluminación que depende dela intensidad de la luz detectada este seactive con la ventaja de que el usuariopodrá calibrar el sistema, para ello sediseña el circuito principal basado enuna fotorresistencia y un relé [2].

El autor Rodolfo López diseña elmódulo de control para la iluminación de

una casa inteligente, basado en lamedición de luz solar mediante unafotorresistencia [3].

Los autores Barrientos Díaz de leónGerman, Cobos Martínez Esaú, Molinasoto Irvin Alain y Morales Cruz OsmarDioney, del Instituto tecnológico deMinatitlán diseñan un sistema de controlpara la automatización de la iluminaciónen las aulas, tratando de aprovechar laluz solar en el día, y hacer uso de lailuminación artificial solo en las noches[4].

La autora Sandra Janitzio Muñoz Durandiseña e implementa un sistema deseguridad elemental para los hogares encasos de no encontrase nadie en ella, elsistema pretende encender lailuminación del hogar en los casos enque no se encuentra nadie como métodopreventivo a los hurtos [5].

El autor Jonathan Sumano Fuentevilla enla Universidad Tecnológica de Mixteca-México, como trabajo de grado diseña yconstruye un sistema de seguimientofotovoltaico, es un prototipo desistema fotovoltaico que sigue latrayectoria del sol sobre la bóvedaceleste, mediante un algoritmo basadoen una carta solar [6].

La autora Mariana Carolina C. desarrollala implementación de un sensor de pasobasado en una fotocelda y un emisor deluz a chorro, dado que a presentarse el

paso de algún objeto, éste interrumpirála luz que incide directamente en lafotorresistencia, variación que serádetectada por la fotocelda y representarainformación al sistema de control [7].

1.2 OBJETIVOS Realizar el montaje de un

sistema seguidor deluminosidad, empleandoherramientas electrónicaspara el desarrollo como lasfotorresistencias,servomotores,Microcontroladores entreotras, con la intención deacopla todo una serie demódulos, para finalmenteobtener un sistema eficienteinstalable en el control deplantas fotovoltaicas.

Establecer las principalescaracterísticas de lasfotorresistencias.

1.3 PROBLEMA Se está considerando la

necesidad de diseñar unsistema capaz de orientarseautónomamente hacia unafuente de mayor emisión deiluminación, inicialmente seplantea llevar a cabo estediseño con la ayudadeterminante de lasfotorresistencias, las cualesserán la conexión del sistemaelectrónico al entorno,encargadas de brindar lainformación al sistema parala toma de una decisión, asícomo su módulo de control acargo del Arduino UNO, y sucapacidad motora brinda porun servomotor.

1.4 MARCO TEÓRICO

Fotorresistencia: Una fotorresistenciaes un componente electrónico cuyaresistencia disminuye con el aumento deintensidad de luz incidente. Puedetambién ser llamado fotorresistor,fotoconductor, célula fotoeléctrica oresistor dependiente de la luz, cuyassiglas, LDR, se originan de su nombre eninglés light-dependent resistor. Sucuerpo está formado por una célula ocelda y dos patillas. En la siguienteimagen se muestra su símbolo eléctrico.

Figura-1

Resistencia: La resistencia eléctrica deun objeto es una medida de su oposiciónal paso de corriente.Descubierta por Georg Ohm en 1827, laresistencia eléctrica tiene un parecidoconceptual a la fricción en la físicamecánica. La unidad de la resistencia enel Sistema Internacional de Unidades esel ohmio (Ω).

Lux: El lux (símbolo lx) es la unidadderivada del Sistema Internacional deUnidades para la iluminancia o nivel deiluminación. Equivale a un lumen /m².Se usa en fotometría como medida de laintensidad luminosa, tomando en cuentalas diferentes longitudes de onda segúnla función de luminosidad, un modeloestándar de la sensibilidad a la luz delojo humano.

Servomotor: Un servomotor (tambiénllamado servo) es un dispositivo similara un motor de corriente continua quetiene la capacidad de ubicarse encualquier posición dentro de su rango deoperación, y mantenerse estable en dichaposición.

Un servomotor es un motor eléctrico queconsta con la capacidad de sercontrolado, tanto en velocidad como enposición. En la figura-2 podemosobservar un servomotor industrial.

Figura-2

Divisor de tensión: Un divisor detensión es una configuración de uncircuito eléctrico que reparte la tensiónde una fuente entre una o másimpedancias conectadas en serie, este sevisualiza a continuación:

Figura-3Con el principio teórico siguiente para elvoltaje de salida:

Figura-4

PCB: En electrónica, un circuitoimpreso, tarjeta de circuito impreso oPCB (del inglés printed circuit board),es una superficie constituida por caminoso pistas de material conductor laminadassobre un sustrato no conductor. Elcircuito impreso se utiliza para conectareléctricamente - a través de los caminosconductores, y sostener mecánicamente -por medio del sustrato, un conjunto decomponentes electrónicos. Los caminosson generalmente de cobre mientras queel sustrato se fabrica de resinas de fibrade vidrio reforzada (la más conocida esla FR4), cerámica, plástico, teflón opolímeros como la baquelita.

2 METODOLOGÍA

Primera fase

El sistema a desarrollar esta descrito porel siguiente diagrama:

Figura-5

Sépase que la entrada principal delsistema estará dad por las

fotorresistencias, estas serán lasencargadas de obtener la información delentorno, por lo que la primera fase deesta implementación compete elconocimiento de la fotorresistencia, suscaracterísticas, las especificaciones parasu puesta en marcha, más exactamentelos módulos sensor-acondicionamiento.

LUX/RESISTENCIA

Las fotorresistencias son un sensorelectrónico capaz de percibir la variaciónde la iluminación incidente, esta resultaser una resistencia variable a razón de lacantidad de fotones que inciden en lasuperficie de la fotorresistencia, la cuales sensible a la energía presente en losfotones, la relación existente entre laresistencia y la iluminación es inversa,pero NO resulta lineal, pues como en lamayoría de los casos, los sensoresresistivos no son lineales, por lo que sedeben adoptar métodos para linealizarsu salida de voltaje y facilitar el análisisde la variación del mismo.

Para linealizar la respuesta de lafotorresistencia se hará uso de unmétodo matemático más exactamente elajuste de curvas , en el cual realizandouna recolecta de mediciones, resistenciacon respecto a lux(unidad deluminosidad), se despejara la ecuacióncaracterística del sensor generando unacurva mas lineal que la real, para ello sedespejan dos constantes característicasde toda ecuación lineal de la formaF(x)=mX+b, la cual para el caso nuestroresulta ser L=a0+a1R, en la cual L=lux,R=resistencia, y a0,a1 son las constantesque debemos despejar.

Dadas las variaciones en la fabricaciónde estos sensores y el hecho que no abrauna igual a la otra fue necesariocaracterizar cada una de lasfotorresistencias involucradas en lapráctica.

Para los cálculos se hizo uso de lascualidades para ello de la herramienta decálculo Excel.

VOLTAJE/RESISTENCIA

Con el procedimiento anterior se realizóla primera sección del móduloACONDICIONAMIENTO, pues ésteestá compuesto por dos subseccionescomo se muestra a continuación:

Figura-6

, estando ya realizada la primera sección,queda por realizar el proceso detransducción de la variable física, a unavariable eléctrica, más exactamenteconvertir la variación de resistencia envariación de voltaje, estando dentro delos límites permitidos por el controlador,convierte la información brindada por elsensor en valores válidos para entrar alcontrolador.Para la transducción de la variaciónresistiva a variación de voltaje se haceuso del circuito DIVISOR DETENSIÓN, el cual permite como sunombre lo indica dividir el voltaje deentrada entre dos o más resistencias enconexión serie, el modelo para cadafotorresistencia posee la siguienteestructura:

Figura-7

, la resistencia de la fotocelda oscilaentre 190 KΩ y 200Ω, por lo que seeligió una resistencia de poca magnitudpara la configuración del circuito, enbusca de variaciones óptimas del voltajede salida; 150Ω.

SEGUNDA FASE

Montaje PCB:En la figura a continuación se puedevisualizar las conexiones de lasfotorresistencias y las resistencias,basadas en la configuración de divisor detensión.

Figura-8

A continuación se podrá visualizar lafigura PCB real superior.

Figura-9La figura anterior presenta el montajedel circuito realizado en el softwarePCB Wizard-Professional.

PCB en 3D:

Figura-10

El montaje debe permitir al sistemagenerar las repuestas esperadas, debe serposible el movimiento en el plano (dosdimensiones), mediante el cual el arreglode fotorresistencias seguirá la mayorconcentración de iluminación incidente.A continuación se puede visualizar laestructura de la maqueta:

Figura-11

En la figura anterior se podía visualizarcomo se decidió incorporar al montajecada elemento para que desempeñara sufunción, considerando siempre lasubicaciones más adecuadas.

No podemos olvidar que lasfotorresistencias funcionan comoeléctricamente como una resistencia, espor esto que en el circuito cerrado seatienden como tal, pues esta disminuyesu resistencia a razón del aumento de lailuminación.

Se puede observar el arreglo delas fotorresistencias:

Figura-12 El circuito para la polarización

de las fotorresistencias:

Figura-13

Motricidad del sistema(Servomotor):

Figura-14

TERCERA FASE

Gracias al correcto desarrollo de la faseanterior, en la entrada de nuestroprocesador encontramos una señaleléctrica de posible interpretación parael Microcontrolador, ahora con laseñal(información) a la entrada delmódulo de procesamiento se debedesarrollar el pseudocódigo encargadode ejercer el control, el cual a razón delas posibles entradas, genere una señalde salida óptima para el actuador, quepermita corregir la posición del sistemay encontrar una nueva posición ideal,

que apunte en dirección a alguna fuentede iluminación.

La tercera fase entonces es el periodocomplementario del sistema, en el cualse implementa la estructura lógica quecontrolara el sistema.

Figura-15

Para este caso el procesamiento serállevado a cabo por una tarjeta Arduinouno con su controlados Atmel.

El pseudocódigo se adiciona acontinuación:

Figura-16

Figura-17

Figura-18

Figura-19

Figura-20

Figura-21

Figura-22

Figura-23

ESQUEMA LÓGICO DEL SISTEMA:

Figura-24NOTA:Se especifica, que el margen dediferencia en lux entre los dos lados esaproximadamente de 20 lux, pues conuna diferencia menor o igual, seconsidera que, tanto el lado A como elB, están apuntando al lugar de mayor

emisión de luminosidad. Bien sea el casode ser, diferencia<-20 o diferencia>20,esto indica que es mayor en el ladoderecho o en el lado izquierdorespectivamente.

2 RESULTADOS

Tabla.1

Tabla.2

Tabla.3

Tabla.4

Tabla.5

Tabla.6

Tabla.7

Tabla.8

Tabla.9

4 ANÁLISIS DE RESULTADOS- En un diseño real, se sabe que

las los componentes secomportan de modos imprecisos,por lo que fue necesariocaracterizar cada una de lasfotorresistencias, dado que noabra una fotorresistenciaexactamente igual a otra.

- estas ecuaciones presentan lasconstantes de ajuste de curva, en

donde la curva variara de modolineal.

5 CONCLUSIONES Se logró diseñar un sistema

capaz de localizar lasfuentes de mayor emisiónde iluminación en elentorno, mediante el uso defotorresistencias.

Los transductores sonconsideraciones determinantesen los sistemas electrónicos,pues son los principalesvectores de información, ypermiten la obtención deinformación del exterior(variable física) a unsistema de control(variables eléctricas).

6 BIBLIOGRAFÍA

[1] Johnny Alejandro Marulanda (2012).Control de motor DC mediantefotorresistencias.

[2] Daniel Álvarez Cardona (2011).Diseña e implementa un sistema controlbasado en una informaciónproporcionada por una fotocelda y unrelé como interruptor.

[3] Rodolfo López (2015).Implementa el módulo de controlinteligente de iluminación en una casausando fotorresistencias, pic18f84a.

[4] Barrientos Díaz de león German,Cobos Martínez Esaú, Molina soto IrvinAlain y Morales Cruz Osmar Dioney(2015). Diseñar un sistema que permitaaprovechar mejor las horas de luz naturaly la activación de luz artificial solocuando son necesarias.

[5] Sandra Janitzio Muñoz (2013).Diseña un método de seguridad para loshogares cuando no se encuentra alguienen la casa, encendiendo en las noches lailuminación.

[6] Jonathan Sumano Fuentevilla(2012).diseña y construye un sistema deseguimiento fotovoltaico.

[7] Mariana Carolina C. (2012).Diseña un sistema de detección deobstáculos u objetos por medio de lainterferencia en la iluminación que salede un led y llega a una fotorresistencia.