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i
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja
ÁREA TÉCNICA
TITULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
PORTADA
Diseño de un sensor de fibra óptica para detección de niveles de radiación
UVA
TRABAJO DE TITULACIÓN
AUTOR: González González, Jandry Dario
DIRECTOR: Castillo Malla, Darwin Patricio
LOJA- ECUADOR
2018
Esta versión digital, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons 4.0, CC BY-NY-SA: Reconocimiento-No comercial-Compartir igual; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales y se permiten obras derivadas, siempre que mantenga la misma licencia al ser divulgada. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es
2018
ii
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
Magister.
Catillo Malla, Darwin Patricio.
DOCENTE DE LA TITULACIÓN
De mi consideración:
El presente trabajo de titulación: Diseño de un sensor de fibra óptica para detección de niveles
de radiación UVA realizado por González González Jandry Dario, ha sido orientado y revisado
durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.
Loja, Enero de 2018
f)…………………………
iii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
“Yo González González Jandry Dario declaro ser autor del presente trabajo de titulación:
Diseño de un sensor de fibra óptica para detección de niveles de radiación UVA, de la
Titulación de Electrónica y Telecomunicaciones, siendo el Mgs. Darwin Patricio Casillo Malla
director del presente trabajo; y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de
Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales. Además, certifico
que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo
investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de
la Universidad Técnica Particular de Loja que es su parte pertinente textualmente dice:
“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,
trabajos científicos o técnicos y tesis de grado o trabajos de titulación que se realicen con el
apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”
f. …………………………………………..
Autor: González González Jandry Dario
Cédula: 1105375842
iv
DEDICATORIA
En este trabajo se lo dedico primeramente a Dios por haberme iluminado y guiado en cada
paso, por darme las fuerzas necesarias para lograr lo que un día me propuse y por ser la pieza
fundamental para culminar esta etapa de mi vida. ¡Gracias mi Dios a ti te lo debo todo!
A mis padres por ser los pilares fundamentales en el transcurso de mi vida, por todo el cariño,
amor y valores que siempre me inculcaron desde muy pequeño, por todas las oraciones que
elevaron a Dios para que me permita cumplir un sueño que hoy se ha hecho realidad, además
de todo el sacrificio que hicieron para poderme apoyar y poder cumplir mis metas. Aquí está
reflejado mi esfuerzo y dedicación que puse desde el primer día que ingrese a la universidad.
A mi padre, Angel por ser mi amigo incondicional y por darme ese aliento cada noche de
seguir luchando a pesar de las adversidades que se me presentaron, por su esfuerzo de lucha
incansable para llegar a ser un profesional, por tu cariño, confianza y tus sabios consejos que
me diste cada día para saber que lo podía lograr, gracias por creer siempre en mí. ¡Espero te
sientas muy orgulloso de lo que he conseguido!
A mi madre, Marilú por ser una madre ejemplar y con su infinito amor pudo guiarme en esta
etapa de mi vida, por estar en esos momentos cuando más la necesitaba y por ayudarme a
salir adelante, por todas las muestras de cariño y afecto que me diste en todo el trascurso de
mi vida universitaria, por enseñarme que la perseverancia y constancia me guiarían al éxito
cuando parecía que me iba a rendir. ¡A mis padres se lo debo todo!
A mis hermanos: Cristian por ser mi ejemplo y conseguir ser un profesional a base de mucho
esfuerzo, de ti aprendí a no darme por vencido, a Kerly por ser mi confidente y por ayudarme
en todo momento, espero que tomes todo lo bueno de mi persona y puedas conseguir ser
también una profesional, a Bryan por ser más que un hermano y por los momentos que hemos
pasado, así mismo espero que con mucha dedicación puedas lograr lo que te has propuesto.
A ustedes por estar en los buenos y malos momentos y saber que puedo contar con ustedes
incondicionalmente.
A mi novia, Marisol por su amor incondicional y por ser una parte fundamental en el transcurso
de mi vida universitaria, por compartir momentos de alegría, tristeza y por demostrarme que
siempre poder contar contigo, gracias por hacer de mis días los mejores.
Y con mucho cariño a toda mi familia que me supo brindar su apoyo en el transcurso de mis
estudios universitarios, no fue fácil pero con la ayuda de Dios, mis padres y de todos ustedes
lo eh logrado. ¡Gracias por todo!
v
AGRADECIMIENTOS
Agradezco primeramente a Dios por permitirme cada día despertar y darme esa sabiduría e
inteligencia para poder lograr este sueño que con mucho esfuerzo y dedicación hoy lo consigo,
además de culminar esta etapa de mi vida.
A mis padres; Ángel y Marilú por ser el pilar fundamental en mi vida y por apoyarme en mis
primeros días en la universidad y en cada etapa de mi vida, por sus consejos que me sirvieron
para lograr ser un profesional, esta meta cumplida no es mía sino de mis padres a ellos se lo
debo todo.
A mis hermanos: Cristian, Kerly y Bryan que cada día me daban aliento para seguir
incansablemente lo que un día me propuse conseguir a ellos también va dedicado este logro.
A toda mi familia que siempre pusieron su confianza en mí y me dieron su apoyo incondicional
a mis primos, tíos y todos.
A mi gran amigo y maestro el Ingeniero Darwin Castillo, quien, con sus conocimientos y
consejos pudo guiarme incondicionalmente en el desarrollo de la investigación, por todo su
tiempo y confianza brindada para que el trabajo resulte de la mejor manera, y poder lograr
hoy esta meta, infinitas gracias.
A mi gran amigo, el Dr. Aramis Sánchez, quien, incondicionalmente me pudo brindar sus
conocimientos del manejo de los equipos de laboratorio para obtener los resultados esperados
en la investigación, muchas gracias.
A todos mis compañeros de la carrera que me supieron brindar su amistad incondicionalmente
en el transcurso de estos años.
A la Universidad Técnica Particular de Loja y a todos los profesores de la titulación de
Electrónica y Telecomunicaciones que nos supieron brindar sus conocimientos.
Jandry González...
vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PORTADA .............................................................................................................................. i
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ....................................... ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS .................................................. iii
DEDICATORIA ..................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ v
ÍNDICE DE CONTENIDOS ................................................................................................... vi
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. x
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................... xii
RESUMEN ............................................................................................................................. 1
ABSTRACT ........................................................................................................................... 2
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3
OBJETIVOS .......................................................................................................................... 5
1 CAPITULO I: MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE .............................................. 6
1.1 Introducción ............................................................................................................. 7
1.2 Estado del Arte ........................................................................................................ 7
1.3 Breve Marco Teórico ............................................................................................. 10
1.3.1 Radiación Solar .............................................................................................. 10
1.4 Tipos de Radiación que llega a la Tierra ................................................................ 11
1.4.1 Radiación Directa ........................................................................................... 11
1.4.2 Radiación Difusa ............................................................................................ 11
1.4.3 Radiación Reflejada ........................................................................................ 11
1.5 Composición de la radiación solar ......................................................................... 11
1.5.1 Luz Visible ...................................................................................................... 12
1.5.2 Radiación Infrarroja ........................................................................................ 12
1.6 Radiación Ultravioleta ............................................................................................ 12
1.7 Clasificación de la Radiación UV ........................................................................... 12
1.7.1 La Radiación UV-A ......................................................................................... 12
vii
1.7.2 La Radiación UV-B ......................................................................................... 12
1.7.3 La Radiación UV-C ......................................................................................... 12
1.8 Intensidad de la radiación UV ................................................................................ 13
1.8.1 Altura del Sol .................................................................................................. 13
1.8.2 Latitud............................................................................................................. 14
1.8.3 Nubosidad ...................................................................................................... 14
1.8.4 Altitud ............................................................................................................. 14
1.8.5 Capa de Ozono .............................................................................................. 14
1.8.6 Reflexión ........................................................................................................ 14
1.9 Radiación solar en Ecuador ................................................................................... 14
1.9.1 Medición de radiación solar en Ecuador ......................................................... 15
1.9.2 Peligros de la radiación solar .......................................................................... 16
1.10 Radiación Solar en Loja ......................................................................................... 17
1.11 Índice UV solar mundial ......................................................................................... 18
1.12 Escala Internacional de los índices UV .................................................................. 19
1.12.1 Sistema de Protección solar ........................................................................... 19
1.13 Efectos sobre la piel .............................................................................................. 20
1.14 Cáncer de Piel ....................................................................................................... 21
1.14.1 Efectos de la radiación UV en los ojos ............................................................ 22
1.15 Prevención para la salud ....................................................................................... 22
1.16 Medidores de radiación UV Comerciales ............................................................... 23
1.16.1 Radiómetro PCE- UV34 .................................................................................. 23
1.16.2 Radiómetro UVS-E-T ...................................................................................... 23
1.16.3 Radiómetro EPPLEY ...................................................................................... 24
1.17 Fluorescencia de pigmentos orgánicos .................................................................. 24
1.18 Pigmento Cúrcuma Longa ..................................................................................... 25
1.19 Fibra Óptica ........................................................................................................... 25
1.20 Guía de onda plana (Porta Objeto) ........................................................................ 26
2 CAPITULO II: MATERIALES Y METODOS .................................................................. 27
2.1 Metodología para el desarrollo del sensor UV ....................................................... 28
viii
2.2 Metodología para la extracción del pigmento ......................................................... 29
2.2.1 Adquisición de la Cúrcuma Longa (polvo) ....................................................... 29
2.2.2 Obtención del Pigmento ................................................................................. 29
2.3 Metodología para el diseño electrónico .................................................................. 32
2.3.1 Arduino Uno ................................................................................................... 32
2.3.2 Display LCD 16x2 ........................................................................................... 33
2.3.3 LDR (Resistencia dependiente de la luz) ........................................................ 34
2.3.4 Fuente de alimentación Mb102 ....................................................................... 35
2.3.5 Módulo micro SD ............................................................................................ 35
2.3.6 Sensor ML8511 .............................................................................................. 36
2.3.7 Simulación del Circuito ................................................................................... 37
2.3.8 Implementación del circuito ............................................................................ 39
2.3.9 Circuito impreso en tarjeta Fenólica ................................................................ 39
2.3.10 Diseño de la caja ............................................................................................ 40
2.4 Filtro Óptico pasa banda (Hoya U-360 UV 25.4mm) .............................................. 41
2.5 Pruebas realizadas ................................................................................................ 42
2.5.1 Medición de espectro solar ............................................................................. 42
2.5.2 Medición del espectro de la lámpara UV ......................................................... 43
2.5.3 Medición de espectro con filtro óptico UV ....................................................... 44
2.5.4 Comparación de espectros ............................................................................. 46
2.6 Programación del sensor ML8511 ......................................................................... 46
2.7 Programación para la obtención de voltajes con el LDR ........................................ 48
3 CAPITULO III: ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................... 49
3.1 Introducción ........................................................................................................... 50
3.2 Medida de potencia Óptica .................................................................................... 50
3.2.1 Medición con sensor Ml8511 .......................................................................... 52
3.2.2 Medida con Potenciómetro PM200 ................................................................. 53
3.3 Medición de índice UV con el Sensor UV (LDR) .................................................... 54
3.3.1 Comparación entre Sensor ML8511 y Sensor UV (LDR) ................................ 55
3.4 Relación de voltajes entre sensores ...................................................................... 55
ix
3.4.1 Sensor Ml8511 ............................................................................................... 55
3.4.2 Sensor UV (LDR) ............................................................................................ 56
3.5 Comparación de Voltaje-Nivel UV entre sensor Ml8511 y Sensor UV-LDR ........... 57
3.6 Medición práctica de Niveles de radiación UV ....................................................... 59
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 62
RECOMENDACIONES ........................................................................................................ 63
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 64
ANEXOS .............................................................................................................................. 67
x
LISTA DE FIGURAS
Figura. 1.1 Espectro Electromagnético ................................................................................ 10
Figura. 1.2 Tipos de radiación solar. .................................................................................... 11
Figura. 1.3 Radiación Solar.................................................................................................. 13
Figura. 1.4 Radiación en Ecuador ........................................................................................ 15
Figura. 1.5 Mapa de radiación solar en Ecuador, CONELEC 2008 ...................................... 16
Figura. 1.6 Comparación de casos de cáncer de piel en Ecuador (2011-2016) ................... 17
Figura. 1.7 Promedio radiación en la Provincia de Loja, CONELEC 2008 ............................ 18
Figura. 1.8 Niveles de índice UV .......................................................................................... 19
Figura. 1.9 Sistema de protección de acuerdo al nivel del índice UV. .................................. 20
Figura. 1.10 Daños de los rayos UV a la piel ....................................................................... 21
Figura. 1.11 a) Cáncer tipo no melanoma; b) Cáncer tipo melanoma .................................. 22
Figura. 1.12 Catarata ocular ................................................................................................ 22
Figura. 1.13 a) Radiómetro PCE-UV34; b) Radiómetro UVS-E-T; c) Radiómetro Eppley .... 24
Figura. 1.14 Fluorescencia de pigmento (curcumina) iluminado con luz ultravioleta ............ 25
Figura. 1.15 Cúrcuma en tubérculo y en polvo ..................................................................... 25
Figura. 1.16 Partes de la Fibra Óptica ................................................................................. 26
Figura. 1.17 Guía de onda plana ........................................................................................ 26
Figura. 2.1 Esquema para desarrollo de la investigación ..................................................... 28
Figura. 2.2 Diagrama de Flujo del Sensor UV ...................................................................... 29
Figura. 2.3 Diagrama de flujo general para la extracción de pigmento ................................. 30
Figura. 2.4 Proceso de extracción del pigmento orgánico (Cúrcuma Longa) ....................... 31
Figura. 2.5 Colocación del Pigmento en la Guía de Onda Plana e iluminadas con una lámpara
ultravioleta. .......................................................................................................................... 31
Figura. 2.6 Espectrofotómetro Thorlabs CCS200 ................................................................. 31
Figura. 2.7 Espectro Fluorescencia Cúrcuma Longa............................................................ 32
Figura. 2.8 Arduino Uno ....................................................................................................... 33
Figura. 2.9 Display LCD 16X2 .............................................................................................. 33
Figura. 2.10 Curva característica de un LDR (dependencia entre iluminación y resistencia) 34
Figura. 2.11 LDR (Light Dependent Resistor) ...................................................................... 35
Figura. 2.12 Modulo de Alimentación MB102 ....................................................................... 35
Figura. 2.13 Modulo micro SD ............................................................................................. 36
Figura. 2.14 Sensor ML8511 ................................................................................................ 36
Figura. 2.15 Relación al voltaje de salida e índice UV medidos ........................................... 37
Figura. 2.16 Rango de medición del sensor ......................................................................... 37
Figura. 2.17 Simulación Circuito de conexión en Proteus .................................................... 38
Figura. 2.18 Diseño en PCB del circuito. .............................................................................. 38
xi
Figura. 2.19 Diseño en 3D del circuito ................................................................................. 39
Figura. 2.20 Implementación del circuito en protoboard ....................................................... 39
Figura. 2.21 Impresión circuito en PCB ................................................................................ 40
Figura. 2.22 Dispositivos soldados en la PCB ...................................................................... 40
Figura. 2.23 Diseño de la caja ............................................................................................. 41
Figura. 2.24 Diseño de la tapa ............................................................................................. 41
Figura. 2.25 Filtro Óptico pasa banda .................................................................................. 42
Figura. 2.26 Curva característica del filtro Óptico ................................................................. 42
Figura. 2.27 Medición del espectro solar.............................................................................. 43
Figura. 2.28 Espectro del sol ............................................................................................... 43
Figura. 2.29 Medición del espectro de lámpara UV .............................................................. 44
Figura. 2.30 Espectro Lámpara UV ...................................................................................... 44
Figura. 2.31 Medición de espectro con filtro UV ................................................................... 45
Figura. 2.32 Espectro del sol con filtro UV ........................................................................... 45
Figura. 2.33 Comparación de espectros. ............................................................................. 46
Figura. 2.34 Diagrama de flujo de la programación .............................................................. 47
Figura. 3.1 Relación Potencia e Índice UV ........................................................................... 51
Figura. 3.2 Grafica de Sensor Ml8511 ................................................................................. 51
Figura. 3.3 Medición con el sensor Ml8511 .......................................................................... 52
Figura. 3.4 Medición con Potenciómetro PM200 .................................................................. 53
Figura. 3.5 Comparación entre mediciones .......................................................................... 54
Figura. 3.6 Medición de Índice UV con Sensor (LDR) .......................................................... 54
Figura. 3.7 Comparación entre Sensor Ml8511 y Sensor UV (LDR) ..................................... 55
Figura. 3.8 Relación entre Voltaje e Índice UV ..................................................................... 56
Figura. 3.9 Relación entre Voltaje e Índice UV ..................................................................... 56
Figura. 3.10 Comparación de Voltaje e Índice UV entre los dos sensores ........................... 58
Figura. 3.11 Similitud de las gráficas de los dos sensores. .................................................. 59
Figura. 3.12 Comparación de Índice UV entre Sensor Ml8511 y Sensor UV (LDR) ............. 61
xii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 Ciudades con un alto índice de radiación solar. ................................................... 16
Tabla 2.1 Características del Arduino Uno ........................................................................... 32
Tabla 2.2 Variaciones de Voltaje del sensor Ml8511 ............................................................ 48
Tabla 3.1 Relación de potencia e Índice UV ........................................................................ 50
Tabla 3.2 Medición con sensor Ml8511 ................................................................................ 52
Tabla 3.3 Medición con Potenciómetro PM200 .................................................................... 53
Tabla 3.4 Comparación de Voltajes entre Sensores ............................................................ 57
Tabla 3.5 Medición del Índice UV......................................................................................... 59
1
RESUMEN
En el presente trabajo de fin de titulación se propone diseñar un sensor de fibra óptica para
detección de niveles de radiación UVA, bajo la premisa de detectar dicha radiación utilizando
pigmentos orgánicos naturales (cúrcuma longa) en conjunto con guías de onda plana y una
placa electrónica diseñada para el acondicionamiento de la señal; lo que permitirá establecer
los niveles de radiación UV.
El diseño del sensor propuesto se caracteriza por su economía y portabilidad a diferencia de
los actuales sensores comerciales, permite determinar el nivel de radiación UV en cualquier
hora del día; lo que ayudará a generar una cultura de información y protección de los
potenciales peligros en las personas causados por la radiación solar UVA, tales como el
cáncer de piel.
Palabra claves: sensor UV, pigmentos, cúrcuma longa, guías de onda plana, radiación solar
2
ABSTRACT
The principal aim of this project is the propose and design of a sensor for detect the radiation
UVA levels through natural organic pigments and optical fiber with a printed circuit board that
allow the signal conditioning.
The device designed is different by its economy and portability unlike current commercial
sensors, it allows to determine the level of UV radiation at any time of the day; which will help
to create a culture of information and protection from the potential dangers in people caused
by UVA solar radiation, such as skin cancer.
Key words: UV sensor, pigments, curcuma longa, wave guide, solar radiation
3
INTRODUCCIÓN
El espectro electromagnético se compone de tres partes: luz visible, luz infrarroja que
sentimos a través del calor y luz ultravioleta o rayos ultravioleta (UV); en este trabajo nos
ocuparemos de estudiar esta última concretamente a través del diseño de un sensor para la
detección de esta radiación.
La radiación ultravioleta es derivada de los rayos UV emitidos por el sol; abarcan un rango de
longitudes de onda entre 100 y 400 nm dentro del cual se consideran tres clases, los rayos
UV-A, UV-B y UV-C.
La radiación UV que alcanza la superficie terrestre se compone en su mayor parte de rayos
UVA, con una pequeña parte de rayos UVB. La función de la capa de ozono es devolver gran
parte de la radiación solar hacia afuera de la atmósfera terrestre, protegiendo a la Tierra, pero
a causa del desgaste que ha sufrido en los últimos años se ha ido debilitando permitiendo
altas dosis de radiación UV, lo que causa problemas para la salud de las personas como
cáncer de piel entre otras enfermedades.
La intensidad de la radiación depende también de factores como la nubosidad y la altitud,
cuanto más cerca de la línea ecuatorial se está, más fuerte es la radiación UV. El Ecuador
debido a su situación geográfica puesto que está ubicado sobre la línea ecuatorial, en América
del Sur; es más vulnerable a la radiación solar dado que esta impacta con más fuerza sobre
la línea ecuatorial.
La radiación solar positivamente constituye una de las fuentes de energía limpia y renovable
más rentable y fiable para satisfacer las demandas energéticas del planeta, pero también es
dañina, las consecuencias a largo plazo de su exposición se pueden notar en casos de
envejecimiento prematuro de la piel, existiendo la posibilidad extrema de convertirse en un
cáncer. No obstante, la radiación UV también tiene beneficios cuando se da en cantidades
normales y hace posible el normal desarrollo de la vida, permitiendo la adherencia de
vitaminas al cuerpo.
El índice UV solar mundial (IUV) es una medida de la intensidad de la radiación UV solar en
la superficie terrestre, cuando más alto sea el índice, hay más probabilidades de lesiones
cutáneas y oculares. La Organización Mundial de la Salud (OMS) determinó que el máximo
puntaje en el IUV para los seres humanos es de 11 puntos.
Dado este contexto, es importante el estar informado al respecto de los distintos niveles de
radiación, debido a ello en el presente trabajo se propone la creación de un dispositivo que
permita a la población el tener alertas respecto del índice de radiación durante el día para de
esta forma prevenir daños y efectos patológicos a causa de ella.
4
El dispositivo propuesto se basa en el análisis, diseño e implementación de un sensor de
radiación UVA, utilizando como material base la combinación de fibra óptica con pigmentos
orgánicos naturales, de tal forma que se logre las características de ser económico, fiable y
factible de implementar con tecnología desarrollada en el medio.
Se utiliza pigmentos naturales en combinación con la fibra óptica debido a su propiedad de
fluorescencia (emitir luz en una longitud de onda distinta cuando es iluminada con una longitud
de onda determinada); concretamente se utilizara el pigmento de la Cúrcuma Longa que
presenta una fluorescencia en el rango de 500 a 680 nm cuando está en contacto con la
radiación UV. Se medirá esta variación para poder establecer una correlación a través de un
detector LDR, luego procesar los valores y determinar los niveles de radiación. Adicional a
ello para asegurar el paso y medición única de radiación UVA se utiliza un filtro óptico U-360
25mm.
Para la caracterización y fiabilidad del diseño propuesto se establece una validación de los
resultados de ensayos y pruebas realizadas frente a un sensor comercial ML8511 y un
potenciómetro óptico de laboratorio Thorlabs PM200.
Es importante la aclaración que se está utilizando el concepto de fibra óptica como un medio
de transporte y guía de luz, por lo que en este sentido se ve justificado la propuesta de
utilización de guías de onda plana.
El presente trabajo está organizado de la siguiente manera: en el capítulo 1 se establece un
estado del arte y breve marco teórico de tal forma que se abordan la bibliografía y reseñas
actuales sobre el tema, se menciona los fundamentos teóricos necesarios para el desarrollo
del proyecto; en el segundo capítulo se describe la metodología aplicada en el diseño de este
dispositivo tanto a nivel electrónico como a nivel experimental; finalmente en el capítulo tres
se detallan los resultados de diseño, medición e implementación del dispositivo, a la par que
se presentan las respectivas conclusiones, recomendaciones y trabajos futuros derivados de
esta investigación.
5
OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar un sensor de fibra óptica con pigmentos orgánicos naturales para detectar
niveles de radiación UVA.
Objetivos Específicos
Definir el estado del arte de la utilización de fibra óptica aplicada en sensores.
Definir el estado del arte sobre fluorescencia de pigmentos orgánicos para detección
de radiación UVA.
Proponer una metodología para la medición de los niveles UVA con fibra óptica.
Diseñar un sensor que sea capaz de medir la radiación solar UVA
Implementar un prototipo del sensor de radiación UVA.
Validad y comparar los niveles UV medidos frente a un sensor comercial.
6
1 CAPITULO I: MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
7
1.1 Introducción
En el presente capítulo se describen varios trabajos relacionados al tema propuesto, los
mismos que nos servirán como base para el desarrollo de la investigación. Además se
establece un breve marco teórico de los fundamentos y conceptos necesarios para el
desarrollo del proyecto; así también se analizan las incidencias de cáncer de piel en el
Ecuador como en la provincia de Loja, lo cual fundamenta la motivación de este proyecto.
1.2 Estado del Arte
El Ecuador debido a su posición geográfica es un país que posee una rica y extensa diversidad
ambiental; no obstante, esa misma posición permite que la radiación solar, especialmente la
UV ingrese con mayor intensidad, especialmente en la región Sierra.
Actualmente la Agencia Espacial Civil Ecuatoriana (EXA) y el Instituto Nacional de
Meteorología e Hidrología (INAMHI) son los encargados de medir las radiaciones UV en las
principales provincias como: Guayas, Quito, Cuenca, el último también en Loja; sin embargo,
existe un gran desconocimiento de la población acerca de esta información; por tanto he allí
la necesidad de crear un dispositivo portátil que permita a las personas estar informadas
constantemente sobre los niveles de radiación y sus derivados peligros en la salud.
Fidanboylu & Efendioglu (2009) afirma que entre las ventajas de utilizar la fibra óptica como
sensor se tiene: la simplicidad, bajo coste y capacidad para realizar sensores, además de sus
desventajas como variaciones al realizar mediciones de la intensidad de la luz, dándonos
lecturas falsas.
La función de la fibra óptica es llevar o confinar la luz dentro del núcleo hacia un detector; por
lo que existe una relación proporcional entre el radio del núcleo y la capacidad o intensidad
de la luz que un sensor basado en los principios de fibra óptica pueda captar o medir.
En este trabajo se prevé el uso de la fibra óptica para captar la radiación solar emitida y a su
vez poder implementar el mejor método de medición para obtener resultados seguros y
lecturas confiables.
Existen varios trabajos en el que se presentan diseños de sensores de radiación UV utilizando
fibra óptica, por ejemplo; Joža et al. (2011) indican dos sensores de fibra óptica simples y de
bajo costo: el primer sensor es en forma de U cubierto con un marcador UV y el segundo
cubierto en un extremo con polvo de una lámpara de mercurio; obteniendo picos de emisión
fluorescente con una longitud de onda de 616nm y 620nm, la fibra óptica empleada tiene un
núcleo de plástico las mismas que poseen un núcleo de mayor diámetro que las fibras con
núcleo de vidrio; aunque estas últimas son más seguras a interferencias electromagnéticas.
8
El fenómeno de fluorescencia, que se da en la fibra óptica en este trabajo se producirá por el
uso de pigmentos orgánicos presentes en la misma, generando una longitud de onda en el
rango del espectro visible, para su posterior medición.
En este sentido, McCarthy, O’Keeffe, Leen, & Lewis (2010) presentan un sensor basado en
fibra óptica recubierta de fosforo: en su implementación se utilizan diferentes métodos de
detección permitiendo captar variaciones de radiación ionizante que se puedan dar de una
fuente de luz ultravioleta, esto con el fin de alertar a socorristas de emergencia y puedan medir
estas radiaciones en el debido caso que se involucren fuentes radioactivas.
La importancia de este trabajo en relación al propuesto radica en los métodos que se utilizan
para la medición de esta radiación, permitiéndo asimilar los mismos.
Estar expuestos a la radiación ultravioleta puede causar daños a la salud, Hoblos, Sheehan,
Laferriere, & Yu (2015) proponen un sistema de detección UVR portátil ligero, llamado
UVision; para ello emplean el uso de un sensor SI1145 UV, un dispositivo para la conversión
ADC(Arduino) y otros módulos: en conjunto este sistema permiten recopilar datos UVR en
tiempo real, enviarlos a través de bluetooth a una aplicación Android la cual proporcionara al
usuario los niveles de radiación IUV y sugerencias para que pueda permanecer protegido.
En lo que respecta al uso de pigmentos orgánicos juntamente con la fibra óptica, Miluski,
Dorosz, Kochanowicz, Zmojda, & Dorosz (2014) emplean el uso de la fibra óptica para su
posterior construcción con PMMA recubierta con un colorante orgánico, incorporado en el
revestimiento de poliuretano que se usó como indicador UV. Este colorante permite la
detección UV-A con una emisión de luminiscencia en el rango visible. Se detalla el proceso
de construcción de la fibra polimérica sensible a UV además de sus características. Es por
ello que en la investigación se podrá hacer uso de estas metodologías los cuales aportarán
con grandes resultados permitiendo el desarrollo factible del sensor a diseñar e implementar.
En la comunidad científica y varios sectores de la industria se ha trabajado con tintes
orgánicos para aplicaciones electrónicas.
Juárez, Castillo, Guaman, Espinosa, & Obregón (2016) en su investigación presentan el uso
de colorantes naturales para su aplicación en diodos emisores de luz orgánicos, para el
proceso de extracción de estos colorantes naturales se tomaron veinte muestras frescas de
la provincia de Loja, entre estas muestras se encuentra la cúrcuma longa; tras varios procesos
químicos se logró la obtención del tinte el mismo que se extrajo con etanol y posterior a ello
se procedió a almacenarlo en frascos. Mediante el uso de un espectrofotómetro se procedió
a medir la emisión espectral de estas muestras las mismas que se encuentran principalmente
en la región visible del espectro electromagnético.
9
En este estudio los tintes son depositados por disposición directa y dopados con el colorante
orgánico natural, mostrando un buen rendimiento y menores costos para la extracción de
estos colorantes. Se puede hacer uso de esta investigación poniendo en práctica la
metodología empleada para la extracción del pigmento para realizar diferentes pruebas y
determinar en rango en el que encuentra el espectro de la cúrcuma longa.
Importantes investigaciones se realizan sobre la fluorescencia de pigmentos orgánicos por
ejemplo Inoue, Yoshimura, & Nakazawa (2001) en su investigación explican un método para
la evaluación de colorantes de cúrcuma longa los mismos que son pigmentos amarillos en
polvo, este método está basado en un sistema de análisis de flujo-inyección con detección
ultravioleta (UV) y detección fluorométrica. Para la extracción del pigmento se usó diferentes
solventes químicos y posterior a ello se realizó las pruebas de fluorescencia considerando que
el etanol es un compuesto químico muy eficaz para la extracción de estos pigmentos,
finalmente este método dio resultados para el análisis cuantitativo de la cúrcuma.
Este estudio aporta a la presente investigación debido a que se puede aplicar estos métodos
para la extracción del pigmento y realizar las pruebas de fluorescencia de la cúrcuma longa
mediante un espectrofotómetro y ver en qué rango del espectro visible se encuentra su
espectro cuando es expuesta a radiación UV.
Por otro lado Mukerjee et al. (2010) usan plataformas de plasmónico (nano estructuras de
plata auto-ensambladas formadas por una superficie semitransparente de plata) con el uso
de estas plataformas se pretenden mejorar la intensidad de fluorescencia de la cúrcuma longa.
Posterior a ello se realiza una comparación de este material con un vidrio teniendo como
resultado una fluorescencia diez veces más fuerte en la plataforma plasmónica que en el
vidrio. Esto se da debido a dos efectos; uno es la excitación que se da en la nano-estructura
de plata y el segundo donde la eficiencia cuántica de la cúrcuma es baja, por lo tanto, la
posible ganancia en el rendimiento cuántico es mayor en estos nano-estructuras.
Esta investigación tiene relación a lo que estamos desarrollando ya que en nuestro caso
usaremos arreglos de fibra óptica para aumentar la intensidad de fluorescencia y obtener
resultados similares en cuanto al espectro de fluorescencia de la cúrcuma.
A nivel local en la Universidad Técnica Particular de Loja, se han desarrollado varias
investigaciones respecto a los pigmentos orgánicos; estos han sido seleccionados para ser
sometidos a varios procesos químicos para obtener su pigmento, determinar sus propiedades
y características de fluorescencia. A. Sánchez (2016) ha venido desarrollando varios estudios
de fluorescencia de más de 50 especies con el objetivo de poder determinar aquellas que
presenten mejor fluorescencia una vez expuestas a radiación electromagnética especifica
(365nm) correspondiente a la radiación ultravioleta. Estos colorantes al estar expuestos a esta
10
radiación producen fluorescencia permitiendo usarlos como sensores naturales para
detección de radiación UVA. Para la detección de fluorescencia se depositaron pequeñas
muestras de pigmentos sobre guías de onda plana con un grosor aproximado de 1um. Para
luego ser iluminadas con una lámpara de luz ultravioleta y poder detectar la fluorescencia con
un espectrofotómetro. En el caso de la cúrcuma longa al absorber la radiación ultravioleta
cercana muestra una fluorescencia con un máximo en amarillo en 571nm y con un ancho
espectral de 100nm.
En la presente investigación centra la utilización de este pigmento natural (cúrcuma longa) por
sus propiedades de fluorescencia, la misma que servirá para desarrollar sensores que puedan
medir la radiación UVA, con la finalidad de dar a conocer a la ciudadanía estos niveles de
radiación y puedan tomar conciencia al momento de sobreexponerse al sol.
1.3 Breve Marco Teórico
1.3.1 Radiación Solar
La radiación es el flujo de energía que recibe la tierra proveniente del Sol en forma de ondas
electromagnéticas que permiten la transferencia de energía solar a la superficie terrestre, las
cuales comprenden una gama continua y muy extensa de longitudes de ondas que van desde
los rayos gamma a las ondas de radio, pasando por los rayos X, ultravioleta (UV), visible,
infrarrojo (IR) y microondas (ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). La
agnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la potencia
por unidad de tiempo y área. Su unidad es el 𝑊/𝑚2 (Paredes Ccama, 2017).
Figura. 1.1 Espectro Electromagnético Fuente: (Pezo, 2011) Elaboración: (Pezo, 2011)
En función de cómo llegan y reciben la radiación solar los objetos situados en la tierra se
pueden distinguir estos tipos de radiación:
11
1.4 Tipos de Radiación que llega a la Tierra
1.4.1 Radiación Directa
Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido algún cambio (reflexiones o
refracciones) hasta llegar a la superficie terrestre (ver Figura. 1.2). Este tipo de radiación se
caracteriza por proyectar una sombra en los objetos opacos que la interceptan (Carrillo &
Morales, 2010)
1.4.2 Radiación Difusa
Parte de la radiación que atraviesa la atmosfera es reflejada por las nubes o absorbida por
estas, en los días soleados esta radiación representa el 15% de la radiación global. Esta
radiación se denomina difusa debido a que va en todas direcciones; es el cambio en la
dirección de un rayo de luz cuando este no traspasa un medio o el cambio de dirección que
experimenta una onda que pasa de un medio a otro siendo estas las nubes, montañas,
arboles, edificios entre otros (ver Figura. 1.2). Cabe mencionar que las superficies horizontales
son las que reciben la mayor radiación difusa (Paredes Ccama, 2017).
1.4.3 Radiación Reflejada
Esta radiación como su nombre lo indica es la radiación reflejada por el suelo o por los objetos
cercanos. Las superficies horizontales no reciben esta radiación reflejada mientras que las
superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben.
Figura. 1.2 Tipos de radiación solar. Fuente: (Ramírez, 2010) Elaboración: (Ramírez, 2010)
1.5 Composición de la radiación solar
La mayor cantidad de energía radiante del Sol se concentra en un rango de longitudes de
onda con las siguientes proporciones: ultravioleta 7%, luz visible 43%, infrarrojo cercano 49%
y el 1% en otros rangos.
12
1.5.1 Luz Visible
La luz visible cuya longitud de onda esta entre 360 nm siendo este el color violeta y 760 nm
siendo el color rojo, esta energía tiene una gran influencia en los seres vivos ya que atraviesa
con bastante eficacia la atmosfera pero cuando existen nubes parte de esta es reflejada
(Guzmán & Tello, 2016).
1.5.2 Radiación Infrarroja
Con una longitud de onda de 760 nm siendo estas las longitudes de onda más largas y llevan
poca energía. Esta radiación infrarroja es parte del espectro de radiación no ionizante
comprendida entre las microondas y la luz visible, es emitida por objetos calientes (motores
calientes) y otras fuentes de calor como lámparas (Guzmán & Tello, 2016).
1.6 Radiación Ultravioleta
Es la energía electromagnética emitida a longitudes de onda menores La radiación ultravioleta
(UV) cuya longitud de onda está comprendida aproximadamente entre los 100 nm y los 400
nm; es decir tiene una longitud de onda más corta que la luz visible (Tiscareño, 2014).
La exposición prolongada del ser humano a los rayos ultravioletas predispone el desarrollo de
cáncer de piel, siendo la luz solar la fuente principal de esta radiación, pero existen cámaras
de bronceado y lámparas que emiten estos rayos UV, aumentando la incidencia de cáncer a
las personas que las utilizan (Guzmán & Tello, 2016).
1.7 Clasificación de la Radiación UV
Los rayos solares conocidos como rayos ultravioleta (UV) son invisibles al ojo humano y se
clasifican de acuerdo a su longitud de onda, se debe considerar que entre más corta es la
onda, más intensa es la energía de los rayos solares. Este espectro de radiación ultravioleta
se puede dividir en tres clases (ver Figura. 1.3).
1.7.1 La Radiación UV-A
La radiación tipo UV-A posee una longitud de onda con un rango que se encuentra entre los
320 y 400 nm es casi inofensiva y pasa en su totalidad a través de la capa de ozono
(Tiscareño, 2014).
1.7.2 La Radiación UV-B
La radiación tipo UV-B posee una longitud de onda entre los 290 y 320 nm, esta energía en
gran parte es absorbida por la capa de ozono pero sin embargo un porcentaje llega a la
superficie terrestre afectando a los seres vivos (Tiscareño, 2014).
1.7.3 La Radiación UV-C
La radiación UV-C cuya longitud de onda está dada en una longitud de onda entre los 200 y
290 nm. Estos rayos son absorbidos en su totalidad por la capa de ozono antes de llegar a la
13
tierra y son potencialmente peligrosos para los seres humanos, de manera que esta radiación
en ningún caso llega a la Tierra (Tiscareño, 2014).
Cuando los rayos solares atraviesan la atmósfera, la capa de ozono, el oxígeno y el dióxido
de carbono absorben la radiación UV-C y aproximadamente el 90% de la radiación UV-B,
mientras que la atmósfera absorbe la radiación UV-A en menor medida.
En consecuencia la radiación UV que alcanza la tierra está compuesta en su mayor parte por
los rayos UV-A y aproximadamente con el 10% que es una parte pequeña de los rayos UV-B
(Organization Protection, 2003).
Figura. 1.3 Radiación Solar Fuente: (Paltín, 2015) Elaboración: (Paltín, 2015)
1.8 Intensidad de la radiación UV
Varios efectos en la salud producidos por la radiación UV dependen de varios factores como
la intensidad que con la que los rayos llegan a la tierra. La potencia de los rayos UV con la
que llegan al suelo depende de un número de factores que los describiremos a continuación:
1.8.1 Altura del Sol
Mientras más alto este el sol en el cielo más intensa es la radiación UV emitida, esto debido
a que los rayos caen cada vez más perpendiculares variando según la hora del día y época
del año. Debido a esta razón las mayores intensidades de radiación se producen cuando el
sol alcanza su máxima altura; siendo este el medio día donde los rayos son más intensos.
En la zona sur del país como es la región 7 los rayos caen con mayor intensidad acarreado
un sin número de enfermedades y con ella el cáncer de piel (Organization Protection, 2003).
14
1.8.2 Latitud
La intensidad de la radiación es superior en el Ecuador esto debido a la situación geográfica
en la que se encuentra, al estar situado sobre la línea ecuatorial hace que la radiación UV sea
más intensa. Esto se debe a la forma esférica de nuestro planeta, siendo la línea ecuatorial el
punto más cercano al sol.
En el caso del Ecuador los rayos solares inciden con más intensidad en un espacio de tiempo
comprendido entre el medio día y las primeras horas de la tarde (IDERMA, 2016).
1.8.3 Nubosidad
Se lo considera como un factor de protección. Ya que si el día se presenta con nubes densas,
disminuye el paso de la radicación UV, pero no en su totalidad mientras que si no hay nubes
la intensidad de la radiación es máxima por lo que siempre se debe considerar las medidas
de protección a exponerse al sol (Guzmán & Tello, 2016).
1.8.4 Altitud
Es un factor muy importante ya que a mayor altitud la atmósfera es más delgada y absorbe
una mejor proporción de radiación UV. Se calcula que por cada 1000 metros de altura la
intensidad de radiación aumenta en un 10 a 12%. Cabe mencionar que la ciudad de Loja se
encuentra a 2060 msnm. Esto se debe considerar ya que si esta aumenta, se considera un
incremento en el riesgo de quemaduras en la piel (Organization Protection, 2003).
1.8.5 Capa de Ozono
Se considera que la capa de ozono absorbe parte de la radiación UV la misma que se ubica
a 30 – 40 Km de altura aproximadamente de la superficie de la tierra. Su función es absorber
la mayor parte de la radiación solar bloqueando completamente la radiación UV-C y una parte
de la radiación UV-B.
Debido a la contaminación existente, la capa de ozono se ha ido destruyendo de manera
considerable (Guzmán & Tello, 2016).
1.8.6 Reflexión
Existen diferentes tipos de superficies que dispersan o reflejan la radiación UV en diversas
medidas, en relación con la radiación emitida a diario. Existen varias superficies donde se
puede reflejar la radiación: la nieve refleja el 80% de la radiación, la arena seca un 15%, la
hierba en un 10% y el agua del mar en un 25%, siendo estos los principales elementos de
reflexión de la radiación UV.
1.9 Radiación solar en Ecuador
La ubicación geográfica de nuestro país es la que determina en su totalidad las altas dosis de
radiación solar que recibimos, esto debido a que los rayos solares recorren menor distancia
15
hasta llegar a la tierra. “Ecuador está ubicado sobre la línea ecuatorial, en América del Sur,
(ver Figura. 1.4) Su territorio se encuentra en ambos hemisferios. A medida que la luz
solar llega a los polos esta va disminuyendo su intensidad; sin embargo esta impacta con más
fuerza sobre la línea ecuatorial, de esta forma y debido al deterioro de la capa de ozono,
Ecuador es más vulnerable a la radiación solar” (Agencia Espacial Civil Ecuatoriana, EXA)
Figura. 1.4 Radiación en Ecuador Fuente: (EXA) Elaboración:(EXA)
1.9.1 Medición de radiación solar en Ecuador
La Agencia Espacial Civil Ecuatoriana (EXA) posee estaciones climatológicas que permiten
medir el nivel de radiación solar en las principales ciudades del Ecuador; actualmente se
encuentra operativa la estación de Guayaquil, donde se puede observar los niveles de
radiación en tiempo real (se actualiza cada 5 minutos) accediendo a la página oficial de EXA
(http://uv.exa.ec/exa2.html).
Así mismo se cuenta con el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología del Ecuador el
mismo que está encargado de monitorear la mayoría de instalaciones meteorológicas del país.
Por otro lado, también la posición geográfica del Ecuador lo convierte en un país con
características topográficas muy variables y con condiciones de un alto potencial de energías
renovables y limpias para la generación de cualquier tipo de energía. En el 2008 el CONELEC
(Consejo Nacional de Electricidad) presento el ‘Atlas de radiación solar del Ecuador’; mismo
que demostró el alto potencial de energía solar (ver Figura. 1.5 ) en el país (Delgado O. &
Orellana S., 2015).
16
Figura. 1.5 Mapa de radiación solar en Ecuador, CONELEC 2008 Fuente: (CONELEC, 2008) Elaboración: Autor
En la Tabla 1.1 se puede apreciar el índice de radiación solar de algunas ciudades del
Ecuador.
Tabla 1.1 Ciudades con un alto índice de radiación solar.
Índice de potencial solar región
interandina-Ecuador
Máximo
Kwh/m²día
Mínimo
Kwh/m²día
Promedio
Kwh/m²día
Quito 4.8 4.4 4.6
Riobamba 4.6 4.3 4.4
Ibarra 4.5 4 4.25
Loja 4.5 4 4.25
Fuente: (CONELEC, 2008) Elaboración: Autor
1.9.2 Peligros de la radiación solar
La principal causa del cáncer de piel en el Ecuador, es la excesiva exposición al sol que incide
drásticamente como factor de riesgo para desarrollarlo.
El Instituto de Estadísticas y Censos (INEC) del Ecuador pública regularmente el Anuario de
Estadísticas Hospitalarios y Egresos, en el cual se presenta datos de incidencia de melanoma
maligno o más conocido como cáncer de piel. En la Figura. 1.6 se presenta un resumen
17
comparativo de los casos de cáncer detectados por provincias en el Ecuador en el año 2011
y 2016.
Figura. 1.6 Comparación de casos de cáncer de piel en Ecuador (2011-2016) Fuente: (INEC, 2017) Elaboración: Autor
Al establecer una comparación de los casos de cáncer de piel como se puede observar en la
Figura. 1.6 se puede notar un aumento considerable de melanoma maligno de piel en el
transcurso de estos años 2011 a 2016. Ciudades como Quito, Guayaquil, Cuenca y Loja
prevalecen en estas estadísticas con mayor número de casos que se han registrado en el año
anterior. En el presente año se ha notado un aumento del índice UV, y se provee que aumente
considerablemente nuevos casos de cáncer de piel.
1.10 Radiación Solar en Loja
La provincia de Loja se encuentra ubicada al sur de la Sierra ecuatoriana, tiene una superficie
de 11.026 km² con una altitud de 2060 msnm, con aproximadamente unos 200.000 habitantes.
Loja posee una elevada presencia de recursos para la generación de energía renovable,
actualmente se desarrollan proyectos con tecnología eólica y fotovoltaica.
De acuerdo con el Atlas Solar del Ecuador (CONECEL) para la ciudad de Loja se tiene un
promedio de radiación solar que alcanza los 4500W/m²/día en toda la región (ver
Figura. 1.7). Actualmente se tiene un potencial de radiación solar sobre los 7.5 Kw/m²/día, lo
que representa aproximadamente un índice UV 11 considerado como extremo cuando lo
aceptable esta sobre los 4Kw/m² por día (Leonardo et al., 2011).
50 36 4213 14 14 6 9 6 1 6 4 1 5 3 17 1 3
259220
14098
7652
27 23 15 8 4 3 3 2 2 2 1 10
50100150200250300
Pic
hin
cha
Gu
ayas
Azu
ay
Man
abí
Tun
gura
gua
Loja
Ch
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Co
top
axi
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das
Los
Rio
s
Nap
o
Pas
taza
Comparacion de los casos de cáncer de piel en el Ecuador (2011-2016)
Series1 Series2 Exponencial (Series1) Exponencial (Series2)
18
Figura. 1.7 Promedio radiación en la Provincia de Loja, CONELEC 2008 Fuente: CONELEC 2008 Elaboración: Autor
1.11 Índice UV solar mundial
La radiación ultravioleta es medida en W/m², sin embargo para un mayor entendimiento la
Organización Mundial de la Salud (OMS) en colaboración con el Programa de las Naciones
Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), la Organización Meteorológica Mundial (OMM), la
Comisión Internacional sobre Protección contra la Radiación no Ionizante (ICNIRP),
establecieron una medida de la radiación UV más sencilla para que pueda ser entendida por
cualquier persona.
Creando así una escala de colores la cual indica el nivel de riesgo de la exposición prolongada
a los rayos solares, con la finalidad de informar y concientizar a las personas de los posibles
efectos nocivos para la salud (López & Mancheno, 2016).
Este índice se expresa como un valor superior a cero, y cuanto más alto, mayor es la
probabilidad de lesiones cutáneas y oculares produciéndose lesiones en un corto tiempo de
exposición al sol. El incremento de estos casos de cáncer de piel son notables en todo el
mundo, la mayoría de estos son asociados a la exposición de los rayos UV, mientras mayor
es el tiempo de exposición a los rayos solares se incrementa considerablemente el riesgo de
sufrir lesiones graves en la piel (Organization & Protection, 2003).
La radiación ultravioleta es variable y toma diferentes valores a lo largo del día, por eso es
importante establecer un intervalo de tiempo donde se tomara un valor medio o la última cifra
debido a que la radiación no varía drásticamente entre intervalos. La OMS recomienda tomar
19
un valor máximo diario, pero si es existe la posibilidad de determinar un rango de tiempo, es
recomendable que se tomen medidas de 5 a 10 minutos (López & Mancheno, 2016).
1.12 Escala Internacional de los índices UV
La escala internacional de colores para el índice UV se divide en cuatro rangos de acuerdo a
la intensidad, estos son: bajo, moderado, alto, muy alto y extremo y sus colores son: Verde,
Amarillo, Naranja, Rojo y Violeta respectivamente (ver Figura. 1.8). Esta clasificación ayuda a
comprender lo peligroso que es la exposición solar en un día y una hora determinada (Guzmán
& Tello, 2016).
Figura. 1.8 Niveles de índice UV Fuente: (Organization & Protection, 2003) Elaboración: Autor
1.12.1 Sistema de Protección solar
El índice ultravioleta (IUV) solar mundial es el patrón para medir las radiaciones ultravioletas
elaborado por la OMS tiene la finalidad de indicar la posibilidad de que se produzcan efectos
nocivos sobre la salud y estimular a las personas a protegerse. Este sistema favorece mucho
en la protección solar que se debe realizar por las personas (ver Figura. 1.9). A medida que
el índice aumenta se debe aumentar la protección mediante el uso de gorra, sombrero,
sombrillas y protector solar con un FPS (factor de protección solar) mínimo de 15, y reducir la
exposición especialmente entre las 10 am y las 16 pm. Incluso se recomienda no salir de casa
en estas horas, ya que la radiación es muy elevada para prevenir enfermedades. Los
mensajes de prevención se dan de acuerdo al nivel del índice UV (ver Figura. 1.9).
Cada índice UV aporta con un mensaje para que las personas puedan entenderlo y sepan
que índices mayores a 6 son elevados y opten por las medidas de protección al salir de sus
hogares.
20
Figura. 1.9 Sistema de protección de acuerdo al nivel del índice UV. Fuente: (Organization & Protection, 2003) Elaboración: Autor
1.13 Efectos sobre la piel
Las radiaciones ultravioletas en pequeñas cantidades son beneficiosas para la salud y
desempeñan funciones esenciales en la producción de vitamina D. Pero debido a la falta de
conocimiento y la exposición excesiva a los rayos UV se relacionan con diferentes tipos de
enfermedades como: cáncer cutáneo, bronceado o quemadura de sol, envejecimiento
prematuro de la piel, cataratas y otras enfermedades (Tiscareño, 2014).
La piel está formada por 3 capas, cada una formada por diferentes compuestos que cumplen
diferentes funciones:
- Epidermis: Capa externa de la piel y la principal barrera entre el cuerpo y el exterior,
esta nos protege de bacterias, hongos y los rayos UVA.
- Dermis: Es la capa intermedia, gruesa y elástica esta nos protege de traumatismos y
regula la temperatura corporal, debido a su estructura nerviosa es que sentimos frio,
calor o dolor.
- Hipodermis: Es el tejido subcutáneo, se desempeña manteniendo la temperatura
corporal
La sobreexposición a los rayos UV-A, envejecen la piel y pueden dañar el ADN de estas
células, estos están asociados al daño de la piel a largo plazo, considerando que estos son
causantes del cáncer de piel (ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
Así mismo los rayos UV-B tienen más energía que los rayos UV-A esto debido a que esta
radiación representa el 10% de la radiación que llega a la tierra. Estos rayos pueden dañar el
ADN de las células de la piel y son los rayos principales que provocan las quemaduras de sol,
a estos también se los considera como una causa del cáncer de piel (American, 2017)
21
Figura. 1.10 Daños de los rayos UV a la piel Fuente:(México,1990) Elaboración: Autor
1.14 Cáncer de Piel
Según Zubeldia et.al. (2012) define al cáncer de piel como la consecuencia más grave de la
exposición a los rayos UV, produciéndose células cancerígenas en las capas exteriores de la
piel. Existen dos tipos: el de tipo melanoma y el no melanoma.
El cáncer de tipo no melanoma es el más frecuente y se denomina así porque se forma a
partir de otras células, mientras que el tipo melanomas es menos frecuente y más maligno
como se observa en la Figura. 1.11.
El cáncer de piel se da en personas de piel blanca, esto debido a la sobreexposición sin
protección a los rayos solares. Ambos canceres se detectan principalmente en las partes del
cuerpo expuestas al sol, tales como la cara, cuello, manos y brazos. Este cáncer viene siendo
el más frecuente de todos los tipos de cáncer es por eso que su pronta atención puede ayudar
a prevenir estas enfermedades (American, 2017).
22
Figura. 1.11 a) Cáncer tipo no melanoma; b) Cáncer tipo melanoma Fuente:(Santini, 2013) Elaboración: Autor
1.14.1 Efectos de la radiación UV en los ojos
La exposición prolongada a los rayos ultravioleta puede causar efectos dañinos en los ojos,
sim embargo este tipo de luz puede penetrar en nuestros ojos y causar quemaduras por un
aumento de temperatura en los tejidos. Los rayos UV-A generan la aparición de cataratas
(enfermedad que opaca la visión y puede causar ceguera) y alteraciones en la retina, mientras
que los rayos UV-B provocan cataratas corticales y eritemas, la exposición a esta radiación
provoca quemaduras en los tejidos (ver Figura. 1.12). Debido a ello se dispone de medidas
de protección como el uso de gafas solares antes de salir de nuestros hogares para evitar
estos daños en nuestros ojos (Tiscareño, 2014)
Figura. 1.12 Catarata ocular Fuente:(Ceballos, 2008) Elaboración: Autor
1.15 Prevención para la salud
Ante los daños que puede causar la sobreexposición a los rayos ultravioletas, que van desde
quemaduras de sol, el bronceado, envejecimiento prematuro y hasta el cáncer de piel, la
Organización Mundial de la Salud (OMS) en su artículo presenta las recomendaciones que
23
se deben tomar en cuenta sobre la protección solar. Se pueden optar por diferentes medidas
de prevención pero estas dos son las principales (Organization & Protection, 2003):
- Educar a la población sobre fotoprotección, esto depende de cada una de las
personas, así mismo la autobservación de sus lesiones en la piel y la detección a
tiempo de tumores pequeños ya que esto permite el tratamiento adecuado para estos
casos.
- Tomar medidas como la preservación de la capa de ozono ya que esta es la que nos
protege a diario de la radiación ultravioleta. Conocer los índices de radiación UV para
auto-educarnos.
La Académica Americana de Dermatología y la Fundación del cáncer de piel, difunden
recomendaciones para que las personas las puedan poner en práctica, varias de estas se
describen a continuación (Becerra & Aguilar, 2001):
- Reducir el tiempo de exposición solar entre las 10:00 y las 16:00 horas
- Aplicarse protector solar al salir de sus hogares según sea el tipo de piel.
- Usar sombreros o gorras, camisetas con manga larga y gafas de sol.
- Ante cualquier reacción alérgica de la piel no exponerse al sol.
- Evitar superficies reflexivas como la arena húmeda y las actividades al aire libre.
- No abusar de los salones de bronceado, y es recomendable no acudir a ellos.
- Educar a los niños para que aprendan a protegerse del sol en cada momento y
desarrollen una cultura de prevención.
- Finalmente tomar conciencia de los daños severos que pueden causar la radiación
solar, educar tanto a los niños como a los padres sobre la importancia de prevenir
estos riesgos.
1.16 Medidores de radiación UV Comerciales
Actualmente existen dispositivos que miden la radiación ultravioleta, A continuación se
describen varios medidores de radiación UV.
1.16.1 Radiómetro PCE- UV34
Este medidor de radiación UV-A y UV-B (ver Figura. 1.13). Detecta longitudes de onda entre
los 290 a 390 nm. Este medidor se usa para la esterilización por rayos UV, en laboratorios de
virología o en la investigación del ADN (Instrumentación, 2017).
1.16.2 Radiómetro UVS-E-T
El UVS-E-T tiene una respuesta espectral adaptada al espectro de acción eritemática
(quemadura solar) de la piel humana. Además de medir la radiación UV-A y UV-B este
radiómetro colecta información de interés médico y público: índice UV, dosis eritemática de
UV y tasa de dosis (ver Figura. 1.13). Este dispositivo se lo puede usar para predecir cuanto
24
tiempo la piel humana puede estar expuesta al sol antes de que se produzca una quemadura
o enrojecimiento. Este dispositivo por sus características de adquisición y presentación de
resultados es muy costoso (KIPP & ZONEN, 2008).
1.16.3 Radiómetro EPPLEY
Sus principales características son: la fácil operación y combinación con un óptimo
desempeño que se compara con los piranómetros meteorológicos destinados a medir la
radiación total emitida por el sol (ver Figura. 1.13). Su estructura externa está protegida por
una ventana de cuarzo, utiliza un filtro óptico interno que controla la temperatura y la mantiene
a 25 ºC eliminando variaciones al cambio de estas temperaturas. Estos radiómetros son
diseñados para obtener mediciones precisas de la radiación ultravioleta (Tiscareño, 2014).
Figura. 1.13 a) Radiómetro PCE-UV34; b) Radiómetro UVS-E-T; c) Radiómetro Eppley Fuente:(Instrumentación, 2017) Elaboración: Autor
1.17 Fluorescencia de pigmentos orgánicos
La fluorescencia caracteriza a las sustancias que son capaces de absorber energía en forma
de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación
electromagnética de una longitud de onda diferente (ver Figura. 1.14).
Por ende la fluorescencia es un fenómeno y tiene lugar cuando una sustancia emite luz visible
al absorber radiación de una longitud de onda menor (por lo general en el rango ultravioleta)
y luego emitir una luz en una longitud de onda más larga (rango visible).
Dicho de otra manera, absorben fotones con una determinada energía, y liberan fotones con
menor energía, es por ello que una sustancia posee fluorescencia cuando este proceso es
muy rápido (Avalos, 2008).
25
Figura. 1.14 Fluorescencia de pigmento (curcumina) iluminado con luz ultravioleta
Fuente: (Avalos, 2008) Elaboración: (Avalos, 2008)
1.18 Pigmento Cúrcuma Longa
La cúrcuma es una planta herbácea perteneciente a la familia de las Zingiberaceae, originaria
del sureste de la India que pertenece también a la familia del jengibre, cuyas raíces se
emplean como condimento, tinte y estimulante medicinal para aliviar diferentes trastornos a la
salud. La planta es de tallo largo (cerca de un metro de longitud) y sus flores son de color
blanco y necesita aproximadamente 8 a 10 meses para madurar (ver Figura. 1.15). La
curcumina confiere a la cúrcuma (polvo) con su intenso color amarillo. Se emplea en
alimentación como colorante amarillo o como aromatizante, para la obtención del polvo de la
cúrcuma esta pasa por varios procesos de extracción, pero se la puede encontrar fácilmente
en cualquier sección de especias o supermercado (Heredia Avalos, 2006).
Figura. 1.15 Cúrcuma en tubérculo y en polvo Fuente:(Shameli et al., 2012) Elaboración: (Shameli et al., 2012)
1.19 Fibra Óptica
La fibra óptica es un sistema de transmisión de información que se utiliza en las
telecomunicaciones. Esta consiste en un hilo muy fino compuesto de material transparente,
vidrio o plástico, estos hilos tienen un grosor semejante al de un cabello humano. Posee un
núcleo, revestimiento y una cubierta de platico (ver Figura. 1.16 ). La transferencia de luz se
fundamenta de la siguiente manera: en el núcleo de la fibra viaja un haz de luz el cual choca
26
con la cara externa del revestimiento el mismo que confina la luz en el núcleo para que no se
refracte el haz de luz, de esta forma el haz es reflejado en el interior de la fibra óptica, de esta
manera se puede transmitir la luz a largas distancias (Manica, 2013).
Figura. 1.16 Partes de la Fibra Óptica Fuente: (Manica, 2013) Elaboración: (Manica, 2013)
1.20 Guía de onda plana (Porta Objeto)
Las guías de onda están diseñadas para confinar la energía electromagnética en una estrecha
región del espacio y guiarla a través de un canal a un espacio reducido. Al momento que
incide una luz en la guía de onda el rayo recorre un camino en zig-zag, la luz que recorre la
guía de inferir constructivamente consigo mismo para que se propague con éxito. Estas son
conocidas como porta objetos en óptica las mismas que son láminas de vidrio rectangular de
color transparente las dimensiones son de 75mm x 25 mm. En el trabajo se usara una
combinación de fibra óptica con guías de onda plana; donde su función específica es de
transmitir la fluorescencia al momento que índice la luz solar sobre ellas.
Figura. 1.17 Guía de onda plana Fuente: Autor Elaboración: Autor
27
2 CAPITULO II: MATERIALES Y METODOS
CAPITULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
28
2.1 Metodología para el desarrollo del sensor UV
La metodología que se ha establecido para la investigación y el desarrollo del sensor UV se
presenta en el siguiente esquema.
Figura. 2.1 Esquema para desarrollo de la investigación Fuente: Autor Elaboración: Autor
A continuación se presenta el diagrama de flujo de los pasos para el desarrollo del sensor UV.
Es importante la aclaración que se está utilizando el concepto de fibra óptica como un medio
de transporte y guía de luz, por lo que en este sentido se ve justificado la propuesta de
utilización de guías de onda plana, adicional a los arreglos de fibra óptica.
29
Figura. 2.2 Diagrama de Flujo del Sensor UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.2 Metodología para la extracción del pigmento
Con la finalidad de poder extraer el pigmento orgánico, se plantea los siguientes pasos.
2.2.1 Adquisición de la Cúrcuma Longa (polvo)
Su color anaranjado hace que tenga un total protagonismo de la planta de cúrcuma en cuanto
a sus usos en el mercado o la industria, la misma que es usada en la gastronomía e industria
alimentaria; es por ello su fácil adquisición.
Se realizó la compra de 1 Kg de cúrcuma en polvo en el supermercado Gran Akí de la ciudad
de Loja para poder realizar su posterior extracción del pigmento.
2.2.2 Obtención del Pigmento
A continuación se muestra un diagrama de flujo del proceso de extracción del pigmento.
30
Figura. 2.3 Diagrama de flujo general para la extracción de pigmento Fuente: (A. Sánchez, 2016) Elaboración: Autor
Como se muestra en el diagrama de flujo para la extracción del pigmento, el primer paso es
la adquisición de la muestra orgánica, seguido un lavado y secado, pero este procedimiento
es cuando se tiene el tubérculo, en nuestro caso tenemos directamente el polvo de la cúrcuma
longa que fue adquirido en un supermercado como se menciona anteriormente (ver Figura.
2.4 (a)).
Una vez que se tiene el polvo de la cúrcuma longa se procede a realizar la siguiente relación;
g (muestra): ml (disolvente 1:10), colocando 6 gramos de muestra en 60 ml de etanol a pH1,
considerando que lo que vamos a extraer es pigmento; el cual se preparó agregando 1 gota
de ácido clorhídrico al 37% en 60 ml de disolvente (ver Figura. 2.4 (b)). La muestra seca (polvo
de cúrcuma longa) se colocó en un vaso de precipitación y luego de añadir el disolvente
(etanol) se llevó a un agitador magnético durante 24h (ver Figura. 2.4 (c)).
Pasado ese tiempo se procedió a filtrar empleando un embudo con papel de filtro para separar
el líquido obtenido del sólido, luego se debe emplear el mismo proceso anterior unas tres
veces con el fin de extraer la mayor cantidad posible de extracto (ver Figura. 2.4 (d - e)). Como
resultado de la primera filtración se tiene un líquido que tendrá un intenso color amarillo,
posterior a ello se debe conservar en un frasco oscuro para que no le afecte la luz exterior.
31
Figura. 2.4 Proceso de extracción del pigmento orgánico (Cúrcuma Longa) Fuente: Autor Elaboración: Autor
Luego de obtener el pigmento orgánico se procedió a la detección de la fluorescencia; se
colocaron películas delgadas de colorante depositadas por inmersión con un grosor
aproximado de 1um en una guía de onda plana (ver Figura. 2.5). Las películas fueron
iluminadas con una lámpara de luz ultravioleta en 365nm.
Figura. 2.5 Colocación del Pigmento en la Guía de Onda Plana e iluminadas con una lámpara ultravioleta. Fuente: Autor Elaboración: Autor
Posterior a ello se procedió a la detección de la fluorescencia mediante el espectrofotómetro
Thorlabs CCS200 (190 - 1020nm) como se puede apreciar en la Figura. 2.6 el mismo que
nos permitió detectar el espectro a partir de la fluorescencia emitida.
Figura. 2.6 Espectrofotómetro Thorlabs CCS200 Fuente: Autor Elaboración: Autor
A continuación se presenta el espectro de fluorescencia emitida de la Cúrcuma longa
presentando un máximo en amarillo en 571nm con un ancho espectral de 100nm.
32
Figura. 2.7 Espectro Fluorescencia Cúrcuma Longa Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.3 Metodología para el diseño electrónico
Con la finalidad de construir el prototipo del sensor UV se utilizaron los siguientes dispositivos
electrónicos:
2.3.1 Arduino Uno
Es una plataforma de software y hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador
y un entorno de desarrollo flexible abierto para el diseño y creación de prototipos o proyectos
multidisciplinarios. Fue creada para para ingenieros, diseñadores y aficionados en desarrollar
entornos u objetos interactivos, para controlar un sinnúmero de sensores. A continuación se
describen sus características (ver Tabla 2.1)
Tabla 2.1 Características del Arduino Uno
Microcontrolador Atmega328
Voltaje de operación 5V
Voltaje de entrada 7-12V
Pines para entrada – salida digital
14(6 se usan como salida PWM)
Pines de entrada análoga 6
Corriente continua por pin IO 40mA
Corriente continua por pin 3.3V 50mA
Memoria Flash 32 KB
EEPROM 1KB
Frecuencia de reloj 16 MHz
Fuente: (Badamasi, 2014) Elaboración: Autor
El hardware del Arduino consiste en una placa electrónica basada en el microcontrolador
Atmega328 que por su sencillez y bajo coste permiten el desarrollo de múltiples diseños (ver
33
Figura. 2.8). Para la programación del microcontrolador en la placa Arduino se utiliza el
lenguaje de programación Arduino Processing/Wiring y el cargador de arranque que es
ejecutado en la placa. El software puede ser descargado de la página oficial de Arduino de
forma gratuita que incluye los drivers de todas las tarjetas disponibles para desarrollar códigos
en el computador (Tiscareño, 2014).
Figura. 2.8 Arduino Uno Fuente: (Arduino, 2017) Elaboración: (Arduino, 2017)
2.3.2 Display LCD 16x2
El LCD(Liquid Crystal Dysplay) o pantalla de cristal líquido es un dispositivo empleado para la
visualización de contenidos de forma gráfica, mediante caracteres, este posee un
microcontrolador el cual hace que funcione el display. El LCD de 16x2, esto quiere decir que
dispone de 2 filas de 16 caracteres cada una (ver Figura. 2.9). Este se utiliza en modo de 4
bits para utilizar el menor número de pines posibles ya que posee 14. La principal función del
display es mostrar la información o datos de una medición de algún sensor. Es una manera
muy práctica de tener acceso a la información que se requiera mostrar y visualizar en pantalla.
En el trabajo se usó un módulo de comunicación I2C conectado con el display para tener más
pines disponibles de conexión en el Arduino, ya que con este módulo solo se tiene 4 pines de
salida y se debe usar la librería para su correcto funcionamiento (Castelan & Cisneros, 2015)
Figura. 2.9 Display LCD 16X2 Fuente: (Castelan & Cisneros, 2015) Elaboración: (Castelan & Cisneros, 2015)
34
2.3.3 LDR (Resistencia dependiente de la luz)
El LDR (Light Dependent Resistor) es un resistor que varía el valor en función de la cantidad
de luz que incide sobre la fotorresistencia. Cuando no incide luz sobre el LDR el valor de la
resistencia es muy alto, y a medida que se incrementa la luz que incide, baja el valor de la
resistencia (ver Figura. 2.10). Este dispositivo se encuentra fabricado a base de sulfuro de
cadmio. En su composición entran materiales que poseen muy pocos electrones libres cuando
se encuentran en condiciones de oscuridad, pero el número de electrones libres se incrementa
de una forma considerable cuando el dispositivo es iluminado, debido a esto la conductividad
crece y la resistencia óhmica disminuye. La dependencia entre resistencia e iluminación es
de la forma:
𝑅 = 𝐴 ∗ 𝐿−∝ (1)
Donde R es la resistencia en ohmios, L es la iluminación en lux y A, ∝ son constantes que
dependen del tipo de material con el que está hecho la fotorresistencia. A continuación se
muestra su curva característica (Garcia, 2016).
Figura. 2.10 Curva característica de un LDR (dependencia entre iluminación y resistencia) Fuente: (Garcia, 2016) Elaboración: Autor
El LDR que se utiliza en este proyecto es el GL7516 del fabricante ARISTON, (ver Figura.
2.11) el mismo que cuenta con las siguientes características: resistencia con total oscuridad
de 0.5 MΩ, mientras que con luminosidad su resistencia es de 4 a 10 KΩ y su rango de
temperatura va de los 30ºC a los +70ºC.
35
Figura. 2.11 LDR (Light Dependent Resistor) Fuente: (Garcia, 2016) Elaboración: Autor
Este es un sensor analógico el cual varía su resistencia dependiendo de la luminosidad que
sea emitida y por lo tanto en la salida se tendrá una variación de voltaje en sus extremos. En
la investigación se usara un LDR para medir la fluorescencia emitida por las guías de onda
las mismas que están dopadas con el pigmento de la cúrcuma, esta fluorescencia será
captada por el LDR y mediante un proceso de acondicionamiento de la señal y comparación
de voltajes poder determinar los niveles de radiación UV.
2.3.4 Fuente de alimentación Mb102
Este es un módulo externo de alimentación para el Arduino, toma el voltaje de entrada de un
cargador de pared con entrada de 6 a 12 V y al pasar por el modulo entrega en la salida un
voltaje seleccionable de 5 V o 3.3 V para alimentar a los sensores o circuitos que vayamos a
necesitar sin preocuparnos de fallos en la alimentación en nuestros proyectos (ver Figura.
2.12). En nuestro caso se lo usa para alimentar todo el circuito y demás sensores que se usan
para el desarrollo del sensor UV.
Figura. 2.12 Modulo de Alimentación MB102 Fuente: (Electroship, 2017) Elaboración:(Electroship, 2017)
2.3.5 Módulo micro SD
Esta tarjeta de interfaz está diseñada para acceder a la memoria micro SD en modo SPI
(protocolo para transmitir y recibir información), por lo que las señales de control se etiquetan
en dicho bus de comunicaciones (ver Figura. 2.13). Este módulo usa una tensión de entrada
de 5V y se lo puede usar con el Arduino incluyendo una librería en el programa. En el trabajo
se lo uso para guardar las mediciones de radiación UV realizadas en un tiempo determinado,
para posterior a ello poder graficar e interpretar estos datos obtenidos del sensor.
36
Figura. 2.13 Modulo micro SD Fuente: (ThinNovation, 2015) Elaboración: (ThinNovation, 2015)
2.3.6 Sensor ML8511
El ML8511 es un sensor ultravioleta, que emite una señal analógica en relación con la cantidad
de luz UV que detecta. Sus características de detección son de 280 a 390nm de luz ultravioleta
(ver Figura. 2.14), ya que esto se clasifica como parte de rayos UVB y en la mayoría de rayos
UVA. Este sensor da una salida de tensión analógica que es linealmente relacionada con la
intensidad UV medida en (mW/cm²), mediante el microcontrolador se puede hacer una
conversión analógica para que se pueda detectar los niveles UV directamente. Para que estas
mediciones sean precisas se utiliza un voltaje de 3.3 V que tiene una precisión de 1%. Este
sensor es un dispositivo pequeño y delgado para su montaje en superficie y cuando está en
modo apagado este consume 0.1 microAmpere, lo que disminuye el consumo de energía.
Figura. 2.14 Sensor ML8511 Fuente: (Sparkfun, 2015) Elaboración: Autor
A continuación se muestra su grafica en relación al voltaje y el nivel UV la misma que es
lineal.
37
Figura. 2.15 Relación al voltaje de salida e índice UV medidos Fuente: (Sparkfun, 2015) Elaboración: (Sparkfun, 2015)
Así mismo se presenta la gráfica característica de responsividad espectral del sensor en
relación con la longitud de onda que mide las radiaciones UV el sensor.
Figura. 2.16 Rango de medición del sensor Fuente: (Sparkfun, 2015) Elaboración: (Sparkfun, 2015)
En el trabajo se optó primeramente por programar este sensor y detectar los niveles de
radiación UV directamente, con la finalidad de poder determinar y relacionar estos niveles de
voltaje con las mediciones que se realicen con el LDR y determinar así los niveles de radiación
UV.
2.3.7 Simulación del Circuito
Para el desarrollo del sensor UV primeramente se procedió a realizar una simulación en el
software Proteus con la finalidad de poder corroborar fallos que se puedan dar en la simulación
y no tener inconvenientes una vez que hayamos montado todos los componentes en una
protoboard de ensayos.
38
Cabe mencionar que todos los componentes que se utilizaron en la simulación fueron
descritos anteriormente. En la Figura. 2.17 se puede observar la conexión del
microcontrolador atemga328 con sus respectivos pines de alimentación, además de los
puertos para conectar los módulos que se usaran para el desarrollo del sensor UV.
Figura. 2.17 Simulación Circuito de conexión en Proteus Fuente: Autor Elaboración: Autor
Así mismo se presenta el diseño en PCB que nos facilita el programa (ver Figura. 2.18 )
el cual tiene las siguientes dimensiones: 9cm de largo por 5cm de ancho.
Figura. 2.18 Diseño en PCB del circuito. Fuente: Autor Elaboración: Autor
Seguidamente se puede apreciar el diseño en 3D del circuito (ver Figura. 2.19 ).
39
Figura. 2.19 Diseño en 3D del circuito Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.3.8 Implementación del circuito
Luego de haber realizado la simulación se presenta la implementación del circuito en la
protoboard (ver Figura. 2.20).
Figura. 2.20 Implementación del circuito en protoboard Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.3.9 Circuito impreso en tarjeta Fenólica
Después de realizar las respectivas pruebas y tomando en cuenta que todo funcione en el
protoboard, se procedió a desarrollar el circuito impreso (ver Figura. 2.21) con el objetivo de
que el dispositivo pueda ser transportado a cualquier lado sin ningún conveniente.
40
Figura. 2.21 Impresión circuito en PCB Fuente: Autor Elaboración: Autor
Luego de esto se procedió a soldar los componentes en la placa para realizar las respectivas
pruebas. En la placas se encuentra el microcontrolador Atmega328, un oscilador de 16MHz,
dos capacitores de 22pf, el modulo micro SD, entradas para sensor ml85511, entradas para
el LDR y la alimentación para el funcionamiento de la placa.
Figura. 2.22 Dispositivos soldados en la PCB Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.3.10 Diseño de la caja
Para la construcción se utilizó un tablero MDF, donde se realizó el diseño de la caja en la que
se encontrara toda la electrónica que se planteó anteriormente. Las dimensiones de la caja
son: 16 cm de ancho por 11.5 cm de alto (ver Figura. 2.23 ).
41
Figura. 2.23 Diseño de la caja Fuente: Autor Elaboración: Autor
La característica principal de la caja está en la tapa como se puede observar en la Figura.
2.24, la misma que tiene un orificio donde se colocó un filtro UV el mismo que deja pasar solo
luz ultravioleta procedente del sol. Así mismo posee una base para poder colocar las guías
de onda plana dopadas del pigmento, las mismas que al estar expuestas a radiación UV
florecerán en el espectro visible.
Figura. 2.24 Diseño de la tapa Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.4 Filtro Óptico pasa banda (Hoya U-360 UV 25.4mm)
Este filtro pasa banda óptico tiene una banda de transmisión rodeada por dos bandas de
bloqueo que permiten que pase solo una porción del espectro. Estos filtros pasa banda ópticos
tienen amplios anchos de banda espectrales en los espectros ultravioleta, visible o infrarrojo
(ver Figura. 2.25). En nuestro caso se optó por el filtro ultravioleta, estos filtros casi negros
absorben la radiación visible y son perfectos para aplicaciones de detección ultravioleta
(Edmund Optics, 2013).
42
Las principales características de este filtro óptico UV son: diámetro 25.4mm, centro de
longitud de onda en 360nm, es de color negro, pasa banda (ultravioleta y parte de infrarrojo).
Figura. 2.25 Filtro Óptico pasa banda Fuente: Autor Elaboración: Autor
Como se indicó anteriormente la finalidad de usar este filtro es tener solo radiación ultravioleta
para posterior a ello trabajar con la misma. Este filtro ira en la tapa de la caja con la finalidad
de dejar pasar la radiación ultravioleta de todo el espectro solar, en la Figura. 2.26 se puede
observar que este filtro pasa banda solo deja pasar radiación ultravioleta y parte del espectro
infrarrojo que no influye en nada.
Figura. 2.26 Curva característica del filtro Óptico Fuente: (Edmund Optics, 2013) Elaboración: (Edmund Optics, 2013)
2.5 Pruebas realizadas
2.5.1 Medición de espectro solar
Para poder realizar las respectivas pruebas primeramente se procedió a instalar el software
Thorlabs-OSA y luego de esto empezar a configurar el programa definiendo un puerto USB
43
como entrada para conectar el espectrofotómetro Thorlabs CCS200 al computador (ver
Figura. 2.27).
Figura. 2.27 Medición del espectro solar Fuente: Autor Elaboración: Autor
Luego de esto se procedió a medir el espectro solar para determinar su rango de radiación, el
mismo que está comprendido entre 280nm y 940nm como se puede observar en la Figura.
2.28 manteniendo un máximo en 550nm.
Figura. 2.28 Espectro del sol Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.5.2 Medición del espectro de la lámpara UV
De la misma manera se procedió a medir el espectro de la lámpara ultravioleta para poder
establecer una comparación con el uso del filtro óptico UV (ver Figura. 2.29).
44
Figura. 2.29 Medición del espectro de lámpara UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
En la Figura. 2.30 se muestra el espectro de la lámpara UV que fue medida con el
espectrofotómetro CCS200, y posterior a ello graficadas con el software Origin Pro 8 el mismo
que permite graficar espectros y hacer una comparación de los mismos. En la gráfica se
muestra la relación respecto a la longitud de onda y la intensidad con la que se midió el
espectro de la lámpara, comprendiendo un máximo en 365nm.
Figura. 2.30 Espectro Lámpara UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.5.3 Medición de espectro con filtro óptico UV
Para la medición de este espectro se usó un filtro óptico UV el mismo que tiene la función de
dejar pasar solo la radiación ultravioleta de todo el espectro solar. Es así que mediante varias
45
pruebas realizadas con el espectrofotómetro se pudo comprobar que la luz que pasa a través
del filtro es completamente luz ultravioleta (ver Figura. 2.31).
Figura. 2.31 Medición de espectro con filtro UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
Así mismo se tomó los valores generados del espectro y se los grafico en el software Origin
Pro 8, en la Figura. 2.32 se puede apreciar la relación entre la intensidad de medición y la
longitud de onda, este espectro con el uso del filtro óptico UV tiene su máximo en 360nm.
Quedando comprobado que solo deja pasar radiación ultravioleta.
Figura. 2.32 Espectro del sol con filtro UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
46
2.5.4 Comparación de espectros
Al realizar las pruebas con el espectrofotómetro de las dos opciones: Espectro de lámpara UV
y el Espectro del sol con un filtro UV (ver Figura. 2.30 y Figura. 2.32).
Se pudo determinar que el espectro del sol con el filtro UV es muy similar al espectro de la
lámpara como se puede observar en la Figura. 2.33 quedándonos como conclusión: que con
el filtro deja pasar espectro ultravioleta más no el espectro visible, ya que este es nuestro
propósito al usar este filtro de solo tener radiación ultravioleta, para posterior a ello proceder
a trabajar con el pigmento puesto sobre las guías de onda plana.
De tal forma está comprobada la importancia de usar este filtro UV. El espectro del filtro óptico
UV tiene su máximo en 360nm, mientras que el espectro de la lámpara tiene un máximo en
365nm, considerado estos dos dentro del rango ultravioleta. En consecuencia estos dos
espectros son similares, la única diferencia es su intensidad con la que se midió estos
espectros.
Figura. 2.33 Comparación de espectros. Fuente: Autor Elaboración: Autor
2.6 Programación del sensor ML8511
Es muy importante que el sensor UV nos de mediciones confiables, por ello primeramente se
prefirió programar el sensor Ml8511, el mismo que nos da lecturas de radiación UV
47
directamente, con la finalidad de poder estudiar su método de medición y que variables usa
para obtener dichas mediciones. Su relación está basada en voltaje e índice UV, a medida
que va variando el voltaje el índice UV (mW/m²) va cambiando al pasar el día, este sensor
tiene un comportamiento lineal.
El propósito de esto es obtener una relación de voltajes y establecer en que niveles varia el
índice UV, con esto se podrá realizar una tabla de variaciones de voltaje e implementarlo en
otro código donde se usara un LDR ya que ese es el propósito de la investigación.
A continuación se muestra el código del programa que se desarrolló para obtener la relación
del voltaje e índice UV (mW/m²).
Para la interpretación del código, a continuación se presenta un diagrama de flujo con la
finalidad de poder representar la programación principal que se desarrolló para el
funcionamiento de este sensor (ver Figura. 2.34).
Figura. 2.34 Diagrama de flujo de la programación Fuente: Autor Elaboración: Autor
48
Es importante recordar que el Arduino es un instrumento que interacciona con el entorno a
través de sus entradas analógicas, tomando medidas de magnitudes físicas para
transformarlas en voltaje. Debido a que estas entradas utilizan por defecto un valor de
referencia de 5V, que hace que la conversión analógico ha digital del Arduino nos de medidas
inexactas. Para solucionar este problema se utiliza el voltaje de referencia que es de 3.3V con
una precisión del 1%. De tal manera que al hacer una conversión analógica a digital en el pin
3.3V que está conectado a pin A2 y luego comparar esta lectura en contra del sensor se podrá
realizar una conversión mucho más precisa del voltaje.
Toda la programación del sensor Ml8511 se encuentra en el ANEXO 1.
2.7 Programación para la obtención de voltajes con el LDR
Una vez que se determinó como se medían los valores de índice UV con el sensor Ml8511 se
procedió a realizar varias pruebas con la finalidad de poder determinar en qué niveles de
voltaje variaba el índice UV, a continuación se presentan estas variaciones.
Tabla 2.2 Variaciones de Voltaje del sensor Ml8511
Índice UV (mW/cm²) Variación de Voltaje
0 0.99V a 1.11V
1 1.12V a 1.24V
2 1.25V a 1.37V
3 1.38V a 1.49V
4 1.50V a 1.62V
5 1.63V a 1.75V
6 1.76V a 1.88V
7 1.89V a 2.00V
8 2.01V a 2.12V
9 2.13V a 2.24V
10 2.25V a 2.37V
11 2.38V a 2.49V
12 2.50V a 2.61V
13 2.62V a 2.73V
14 2.74V a 2.85V
15 2.86V a 2.97V
Fuente: Autor Elaboración: Autor
Una vez determinadas estas variaciones se procedió a programar en el Arduino para poder
implementar estos voltajes; esta relación permitirá establecer los niveles del índice UV a
medida que el LDR detecte la fluorescencia emitida a partir de la radiación ultravioleta y
posterior a ello realizar el respectivo procesamiento de estos valores para mostrar el resultado
en una LCD.
El código utilizado estará disponible en el ANEXO 2
49
3 CAPITULO III: ANÁLISIS DE RESULTADOS
CAPITULO III
ANÁLISIS DE RESULTADOS
50
3.1 Introducción
En este capítulo se detallan los resultados de medición y validación del diseño propuesto, en
adelante Sensor UV (LDR). La validación y comparación de mediciones de las realiza con el
sensor comercial Ml8511 y el potenciómetro óptico Thorlabs PM200 y a partir de este análisis
deducir las conclusiones respectivas.
3.2 Medida de potencia Óptica
Con el propósito de determinar los índices UV se procedió a medir la potencia solar que
corresponde a cada nivel, relacionando estos valores con cada hora del día. Esto se lo realizó
con la ayuda del potenciómetro óptico Thorlabs PM200. Luego de proceder a medir estos
valores en un día determinado se tiene los siguientes resultados.
Tabla 3.1 Relación de potencia e Índice UV
Potencia (mW) Nivel IUV
0.30 0
0.60 1
0.90 2
1.20 3
1.50 4
1.80 5
2.10 6
2.40 7
2.70 8
3.00 9
3.30 10
3.60 11
Fuente: Autor Elaboración: Autor
Posterior a ello se procedió a graficar los valores obtenidos teniendo como resultado una
relación lineal, es decir que a medida que aumenta la potencia el índice UV va en aumento,
esto se puede observar en la Figura. 3.1
51
Figura. 3.1 Relación Potencia e Índice UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
Así mismo se tomó los valores del sensor Ml8511 que proporciona su Datasheet para
graficarlos y comparar estos con la gráfica anterior en los niveles de potencia. La diferencia
entre estas dos graficas es que la del potenciómetro PM200 está en relación al índice UV y
potencia medida, mientras que la gráfica del sensor Ml8511 está en relación al voltaje e índice
UV que esta dado en mW/cm².
Figura. 3.2 Grafica de Sensor Ml8511 Fuente: Autor Elaboración: Autor
52
3.2.1 Medición con sensor Ml8511
Siguiendo el mismo procedimiento se procedió a medir el índice UV en un día determinado en
un lapso de (6am – 16pm), para luego poder comparar con las mediciones del potenciómetro.
En la Tabla 3.2 Medición con sensor Ml8511se puede observar el índice UV medido en cada
hora determinada.
Tabla 3.2 Medición con sensor Ml8511
Hora del día Índice UV
6 0
7 1
8 2
9 3
10 4
10:30 5
11 6
11:30 7
12 8
13 9
14 10
14:30 9
15 6
16 4
Fuente: Autor Elaboración: Autor
En la Figura. 3.3 se muestra la representación gráfica de los valores obtenidos en el lapso de
tiempo determinado.
Figura. 3.3 Medición con el sensor Ml8511 Fuente: Autor Elaboración: Autor
53
3.2.2 Medida con Potenciómetro PM200
Realizando el mismo procedimiento anterior se procedió a determinar los niveles UV en el
tiempo que se estableció anteriormente.
Tabla 3.3 Medición con Potenciómetro PM200
Hora del día Índice UV
6 0
7 0
8 1
9 2
10 3
10:30 4
11 5
11:30 6
12 7
13 8
14 9
14:30 7
15 5
16 3
Fuente: Autor Elaboración: Autor
De esta manera, se puede observar en la Figura. 3.4 los valores graficados para una mejor
representación de estas mediciones.
Figura. 3.4 Medición con Potenciómetro PM200 Fuente: Autor Elaboración: Autor
En la Figura. 3.5 se puede observar una comparación de las dos mediciones realizadas,
las mediciones del potenciómetro se encuentran desfasadas en un factor 0.055 sin embargo
54
son precisas y acorde a las mediciones del sensor comercial Ml8511. Debido a ello se puede
mencionar que las medidas del sensor son precisas al momento de determinar el índice UV.
Figura. 3.5 Comparación entre mediciones Fuente: Autor Elaboración: Autor
3.3 Medición de índice UV con el Sensor UV (LDR)
Siguiendo la misma metodología se procedió a medir el índice UV con el LDR con la finalidad
de poder comparar estos resultados con los del sensor Ml8511.
Figura. 3.6 Medición de Índice UV con Sensor (LDR) Fuente: Autor Elaboración: Autor
55
3.3.1 Comparación entre Sensor ML8511 y Sensor UV (LDR)
Luego de haber realizado las respectivas mediciones del sensor Ml8511 y el sensor UV (LCD)
se logró comparar estos resultados obtenidos de las respectivas mediciones. La relación de
estas graficas esta dado entre el índice UV y la hora del día. En la Figura. 3.7 la gráfica del
sensor UV (LDR) está un poco desplazada que la del sensor Ml8511 sin embargo esta es muy
parecida debido a que se realizó las dos mediciones al mismo tiempo, quedando como
resultado que el desarrollo del sensor UV (LDR) nos da valores confiables del índice UV en
relación con el otro sensor que tiene más precisión.
Figura. 3.7 Comparación entre Sensor Ml8511 y Sensor UV (LDR) Fuente: Autor Elaboración: Autor
En la Figura. 3.7 se puede observar que existe ± 1 de margen de error o nivel de detección,
del sensor UV (LDR) en comparación con el comercial. Dado esto se procederá a tomar en
cuenta ese valor para que el sensor UV(LDR) pueda medir el índice UV al igual que el sensor
comercial.
3.4 Relación de voltajes entre sensores
3.4.1 Sensor Ml8511
Tomando en consideración la gráfica del sensor Ml8511 que nos proporciona la hoja de
especificaciones técnicas del fabricante, se procedió a graficar estos valores para su posterior
comparación.
56
Figura. 3.8 Relación entre Voltaje e Índice UV Fuente: Autor Elaboración: Autor
3.4.2 Sensor UV (LDR)
En el capítulo anterior se estableció la relación de voltajes de acuerdo a cada índice UV del
sensor ML8511, para luego utilizar esta relación y proceder a ejecutar un programa en el
Arduino. La finalidad de ello es que mediante la variación de voltajes el LDR pueda determinar
el índice UV a partir de la fluorescencia emitida por las guías de onda plana.
Figura. 3.9 Relación entre Voltaje e Índice UV del sensor UV propuesto Fuente: Autor Elaboración: Autor
57
3.5 Comparación de Voltaje-Nivel UV entre sensor Ml8511 y Sensor UV-LDR
Una vez realizadas las respectivas pruebas se tiene la relación de voltajes entre los dos
sensores como se puede observar en la Tabla 3.4, en la misma que se consideran las
variaciones de voltaje de los dos sensores con cada índice UV.
Tabla 3.4 Comparación de Voltajes entre Sensores
Índice UV Voltaje(Sensor Ml8511) Voltaje(Sensor UV-LDR)
0 1.05 0.99
1 1.18 1.12
2 1.31 1.25
3 1.43 1.38
4 1.56 1.50
5 1.69 1.63
6 1.82 1.76
7 1.94 1.89
8 2.06 2.01
9 2.18 2.13
10 2.31 2.25
11 2.43 2.38
12 2.55 2.50
13 2.67 2.62
14 2.79 2.74
15 2.91 2.86
Fuente: Autor Elaboración: Autor
Luego se procedió a graficar estos valores de los dos sensores en cuanto a la relación de
voltajes e índice UV. Los resultados obtenidos del sensor UV (LDR) como se puede observar
en la Figura. 3.10 son semejantes a los del sensor Ml8511; con lo cual se valida la relación
voltaje-fluorescencia realizada a partir de la luz detectada por el LDR.
Es así que si el LDR detecta la cantidad de luz dependiendo de la variación de fluorescencia
emitida por el pigmento y a partir de ello se establece un nivel de voltaje y su correspondiente
nivel de radiación UV. La diferencia principal de estos voltajes entre el sensor Ml8511 y el
sensor UV (LDR) está en un desfase de (0.06 y 0.05 V) respectivamente de cada nivel UV.
58
Figura. 3.10 Comparación de Voltaje e Índice UV entre los dos sensores. Fuente: Autor Elaboración: Autor
Como se indicó anteriormente la medición del Sensor UV-LDR está desplazada por un factor
de 0.05 y 0.06 V respecto del sensor comercial; sin embargo tienen la misma pendiente lo
cual garantiza la fiabilidad de las mediciones y comparaciones realizadas. En la Figura. 3.11
se puede apreciar la similitud de estas dos gráficas.
59
Figura. 3.11 Similitud de las gráficas de los dos sensores. Fuente: Autor Elaboración: Autor
3.6 Medición práctica de Niveles de radiación UV
Una vez que se ha validado las mediciones con el sensor comercial respecto al propuesto, se
procedió a tomar valores del índice UV en un día determinado con el sensor UV (LDR). En la
tabla se pueden apreciar dichos valores.
Tabla 3.5 Medición del Índice UV
Hora Nivel UV(Sensor UV-LDR)
10:00 2
10:05 3
10:10 2
10:15 3
10:20 2
10:25 3
10:30 3
10:35 4
10:40 2
10:45 3
10:50 3
10:55 4
11:00 4
11:05 4
11:10 4
11:15 3
11:20 5
11:25 4
11:30 3
11:35 4
11:40 4
11:45 4
11:50 4
60
11:55 5
12:00 5
12:05 5
12:10 6
12:15 6
12:20 6
12:25 6
12:30 7
12:35 7
12:40 7
12:45 8
12:50 8
12:55 7
13:00 7
13:05 8
13:10 6
13:15 8
13:20 7
13:25 7
13:30 5
13:35 5
13:40 5
13:45 4
13:50 4
13:55 4
14:00 4
14:05 4
14:10 4
14:15 5
14:20 5
14:25 5
14:30 5
14:35 4
14:40 4
14:45 4
14:50 5
14:55 5
15:00 5
15:05 6
15:10 5
15:15 6
15:20 7
15:25 6
15:30 6
15:35 7
15:40 4
15:45 5
15:50 4
15:55 4
16:00 3
Fuente: Autor Elaboración: Autor
A continuación se puede observar en la Figura. 3.12 la medición del índice UV, la misma que
se realizó entre las 10am hasta las 16pm con el sensor UV (LDR).
61
Figura. 3.12 Comparación de Índice UV entre Sensor Ml8511 y Sensor UV (LDR) Fuente: Autor Elaboracion: Autor
La gráfica anterior confirma que el sensor propuesto indica valores de radiación UVA acorde
con los niveles reales en cada instante del día. Por ende el prototipo construido puede medir
los niveles de radiación, siendo estos valores confiables de índice UV.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10:00 11:12 12:24 13:36 14:48 16:00 17:12
Índ
ice
UV
Hora del Día
Datos de Índice UV
62
CONCLUSIONES
Actualmente existen dispositivos que permiten medir la radiación UV pero los mismos
son muy costosos, es por ello que se desarrolló un nuevo método de medición de
radiación UV factible de implementar.
En la investigación se usó guías de onda plana debido a que con un solo hilo de fibra
óptica fue muy difícil captar la fluorescencia del pigmento. Sin embargo en la guía de
onda plana la luz viaja en forma de zig-zag por el plano horizontal pudiendo ser
detectada en sus extremos con mayor facilidad.
Debido a que es difícil medir directamente la radiación ultravioleta se propuso el uso
de pigmentos orgánicos (Cúrcuma Longa). La principal característica de este pigmento
es la fluorescencia; ya que al estar expuesto a radiación ultravioleta este emita un
espectro en el rango visible.
Para la obtención del pigmento se debe considerar la relación muestra, disolvente y
posterior a ello depositar sobre las guías de onda plana 1ml del pigmento. En el trabajo
se utilizó cinco guías de onda plana con la finalidad de que al incidir la radiación
ultravioleta estas emitan una fluorescencia con mayor intensidad y esta pueda ser
captada por el LDR.
El pigmento en la guía de onda plana mantiene sus propiedades por dos semanas es
por ello que cuando el prototipo nos de lecturas bajas será debido a que el pigmento
perdió sus propiedades de fluorescencia, para ello se debe de volver a poner 1ml de
pigmento sobre cada guía de onda plana.
El diseño propuesto se validó a través de comparaciones entre un sensor comercial
como es el Ml8511. Las mediciones con el sensor UV (LDR) nos dio valores
aproximados en un 80% a los medidos con el sensor comercial.
Al hacer un análisis de los datos medidos en un día cualquiera, se puede observar que
la radiación al pasar el día no es constante, esto debido a varios factores como
nubosidad, altitud entre otros. En los resultados obtenidos se puede apreciar que en
la provincia de Loja, al medio día se obtienen niveles de índice UV de 8 y 9
considerados como muy altos, así mismo estos índices van disminuyendo hasta
alrededor de las seis de la tarde, en donde el índice ultravioleta es cero.
El desarrollo del sensor se da con la finalidad de incrementar y difundir el conocimiento
del índice UV, con el propósito de prevenir enfermedades y que la población en general
pueda tomar las debidas precauciones al sobreexponerse al sol en el lapso de las
10am hasta las 16pm donde se consideran niveles altos de radiación ultravioleta.
Para lograr una efectividad en el costo de implementación se debe considerar que el
pigmento se encuentre estable, beneficiando la relación costo-beneficio.
63
RECOMENDACIONES
Para el mejoramiento del prototipo se debe estabilizar el pigmento para que no pierda
sus propiedades de fluorescencia al pasar el tiempo y las mediciones puedan ser más
precisas.
Generar un arreglo de varios hilos de fibra óptica para obtener una mejor captación de
fluorescencia del pigmento al ser expuesta a la radiación UV.
Desarrollar a gran escala este prototipo generando un menor costo en la
implementación del mismo.
64
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67
ANEXOS
68
ANEXO A: Código de Programación para Sensor Ml8511
#include <Wire.h> // librería para la lcd
#include <LiquidCrystal_I2C.h> // librería para el I2C
#include <SD.h> // librería para la micro SD
//Dirección de la pantalla LCD en 0x27 para una pantalla de 16 caracteres y 2 líneas
LiquidCrystal_I2C lcd (0x27, 16, 2);
int UVOUT= A1; //lee los valores de salida del sensor
int REF_3V3 = A2; //valor de referencia de 3.3V del Arduino
float outputVoltage,uvIntensity,IUV1 ; //declaración de variables flotantes
int IUV, uvLevel,refLevel; //declaración de variables enteras
File myFile;
void setup()
{
Wire.begin();
lcd.begin(16,2); // Inicializa la interface para el LCD screen, and determina sus dimensiones
(ancho y alto) del display
// Abre puerto serial y lo configura a 9600 bps
Serial.begin(9600);
//Encender la luz de fondo.
lcd.backlight();
// Escribimos el Mensaje en el LCD.
lcd.print("Tesis en Proceso");
delay(3000);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Jandry Gonzalez");
delay(4000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(2,0);
lcd.print("Inicio Sesion");
delay(4000);
69
lcd.setCursor(0,1);
// Displayamos el Blinking del Cursor sobre el LCD
lcd.blink(); delay(2000);
lcd.setCursor(2,1);
lcd.print("SENSOR UV");
delay(4000);
lcd.noBlink(); // Apagamos el Blinking del Curso
lcd.clear();
delay(1000);
// Especificamos como entradas (UVOUT, REF_3V3)
pinMode(UVOUT, INPUT);
pinMode(REF_3V3, INPUT);
// Inicializamos la micro SD
Serial.print("Iniciando SD ...");
if(!SD.begin(4)) { // pin digital 4
Serial.println("No se pudo inicializar"); // mensaje de error ante cualquier fallo
return;
}
//Nos confirma que se inició con éxito el micro SD
Serial.println("Inicialización exitosa--TESIS EN PROCESO--");
}
void loop()
{
myFile=SD.open("TEST.txt", FILE_WRITE); // Abrimos el archivo de texto
if(myFile){
Serial.print("Escribiendo SD: "); // comenzamos a escribir los valores
uvLevel = averageAnalogRead(UVOUT); //lee los valores analógicos en el pin PIN A0
refLevel = averageAnalogRead(REF_3V3); //lee el voltaje de referencia en el PIN A1
// Pin de alimentación de 3.3V como referencia para obtener un valor de salida preciso
outputVoltage = 3.3 / refLevel * uvLevel; // operación para obtener el voltaje
// Convertimos el voltaje a un nivel de intensidad UV
uvIntensity = mapfloat(outputVoltage, 0.99, 2.9, 0.0, 15.0);
int IUV = uvIntensity; // valor entero de voltaje
IUV1= (uvIntensity) + 0.7; // valor decimal del índice UV…
70
ANEXO B: Código de Programación del Sensor UV (LDR)
#include <Wire.h> //l ibrerías para la lcd
#include <LiquidCrystal_I2C.h> // librería para el I2C
#include <SD.h> // libreria para la micro SD
//Dirección de la pantalla LCD en 0x27 para una pantalla de 16 caracteres y 2 líneas
LiquidCrystal_I2C lcd (0x27, 16, 2);
int UVOUT= A1; //lee los valores de salida del sensor
int REF_3V3 = A2; //valor de referencia de 3.3V del Arduino
float Voltaje;
File myFile;
void setup()
{
Wire.begin();
lcd.begin(16,2); // Inicializa la interface para el LCD screen, and determina sus dimensiones (ancho y alto) del display
Serial.begin(9600); // Abre puerto serial y lo configura a 9600 bps
lcd.backlight(); //Encender la luz de fondo.
// Escribimos el Mensaje en el LCD.
lcd.print("Tesis en Proceso");
delay(3000);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Jandry Gonzalez");
delay(4000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(2,0);
lcd.print("Inicio Sesion");
delay(4000);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.blink(); // Displayamos el Blinking del Cursor sobre el LCD
delay(2000);
lcd.setCursor(2,1);
lcd.print("SENSOR UV");
delay(4000);
lcd.noBlink(); // Apagamos el Blinking del Curso
lcd.clear();
delay(1000);
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pinMode(UVOUT, INPUT); // especificamos como entrada
pinMode(REF_3V3, INPUT);
Serial.print("Iniciando SD ..."); // inicializamos la micro SD
if(!SD.begin(4)){ // Pin digital 4
Serial.println("No se pudo inicializar");
return;
}
Serial.println("TESIS EN PROCESO-----"); //nos confirma que se inició con exito
}
void loop()
{
myFile=SD.open("TEST.txt", FILE_WRITE); // Abrir el archivo
if(myFile){
Serial.print("Escribiendo SD: "); // empieza a escribir los datos
int uvLevel = averageAnalogRead(UVOUT); //lee los valores analógicos en el pin PIN A1
int refLevel = averageAnalogRead(REF_3V3); //lee el voltaje de referencia en el PIN A2
//pin de alimentación de 3.3V como referencia para obtener un valor de salida preciso
Voltaje = 3.3 / refLevel * uvLevel;
// se escribe en la micro sd
myFile.print("/ uvLevel: "); //valor analógico
myFile.print(uvLevel);
myFile.print(" / refLevel: ");
myFile.print(refLevel);
myFile.print(" / VCC : ");
myFile.print(Voltaje);
myFile.print(" / IUV : ");
myFile.println(indice);
myFile.close(); //cerramos el archivo
Serial.print("/ uvLevel: "); //valor analógico
Serial.print(uvLevel);
Serial.print(" / refLevel: ");
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Serial.print(refLevel);
Serial.print(" / VCC : ");
Serial.print(Voltaje);
Serial.print(" / IUV : ");
Serial.print(indice);
Serial.println();
delay(2000);
}else {
Serial.println("Error al abrir el archivo");
}
delay(100);
// Establecemos una condición para cuando el voltaje este en dicho nivel nos de un mensaje de acuerdo al índice UV
if (Voltaje >= 0 && Voltaje <= 0.98)
{
lcd.setCursor(8,0);
lcd.print("IUV= 0");
lcd.setCursor(4,1);
lcd.print(" Bajo ");
}
if (Voltaje >= 0.99 && Voltaje <= 1.11 )
{
lcd.setCursor(8,0);
lcd.print("IUV= 0");
lcd.setCursor(4,1);
lcd.print(" Bajo ");
}
else if(Voltaje >= 1.12 && Voltaje <= 1.24)
{
lcd.setCursor(8,0);
lcd.print("IUV= 1");
lcd.setCursor(4,1);
lcd.print(" Bajo ");
}
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Para cualquier información más detallada del código del sensor Ml8511 me pueden escribir a
mi correo: [email protected]
Anexo C: Prototipo terminado del Sensor UV (LDR)
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