Invernadero.Automatizado

Invernadero Automatizado Fernan Odiel Ochoa Amador f_omega86hotmail.com

ÍNDICE Resumen. ------------------------------------ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 --------------- -------------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.1.- Objetivo. --------------------------- 2.- Historial. ---------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 3.- Desarrollo. ------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 3.1.- Luz de emergencia. ----------------------------------------- ------------------------------------------------------------------- 4 ------------------- ----- 5 3.2.- Contador fotoelectrico de personas y objetos. ----------------------- 3.3.- Interruptor activado por voz (vox) con amplificador. ---------------- 8 3.4.- Termómetro lineal de bajo costo. ------------------------------------------------------------- --------------- 8 ------------ ------------------------------------------------------ 9 3.5.- Luz nocturna automática. --------------------------- 3.5.1.- Circuito integrado 555. --------------------------------------- ------------------------------------- 10 3.5.1.1.- Descripción de patas. ------------------------------------------- ---------------- 11 -------------------- --------- 12 3.6.- Detector de humedad en plantas y flores. ---------------------------- 3.7.- Detector de nivel de agua. ------------------------------------------ ----------------------------------------------- 12 3.8.- Microcontrolador at89s52 ----------------------------------------------- 13 3.9.- Diagrama final ------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------- 14 4.- Resultados, conclusiones y recomendaciones. -------------------------------------- -------------------------- 15 4.1.- Resultados. ---------------------------------- ------------------------------------------------------------------------ 15 4.2.- Conclusiones. ---------------------------------------- ------------------------------------------------------------- 15 -------------- ------------------------------------------------- 15 4.3.- Recomendaciones. -------------------------- 5.- Referencias bibliográficas y ligas. ---------------------------------------- --------------------------------------------------- 15 1.-

1).- RESUMEN: Cada vez es más común que las personas siembren plantas en sus hogares, pero es común que se les dediquen el tiempo necesario. Con esto al final resulta ser una perdía y no una ganancia; así que al automatizar el invernadero el tiempo y los gastos reducen notablemente. Lo que se implementa en el proyecto es: Detector de humedad en la planta Luz nocturna automática Accionamientos por voz Detector del nivel de agua Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] f_omega86@hotmail .com Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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Contador de visitantes Luz de emergencia Termómetro lineal El objetivo de este proyecto es ahorrar dinero al usar el material exacto en las plantas, energía eléctrica como física, como así también tiempo. Para hacer esto posible se usan un conjunto de circuitos, los cuales atacan un problema en específico por separado, pero integrándolos resuelven un problema grande. El circuito VOX (interruptor activado por voz) se utiliza para sustituir el clásico botón de PTT (press-to-talk: presionar para hablar) de los micrófonos de walkie-talkies, radioteléfonos, transceptores de banda ciudadana, etc. Otras aplicaciones incluyen la preamplificación de señales de audio y el control de artefactos eléctricos mediante ordenes verbales.

Fig. 1 Ejemplo de invernadero automatizado.

En la imagen se muestra un invernadero que se controla electrónicamente, se controla su temperatura de la planta y el sistema de riego.

Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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1.1).- OBJETIVO El invernadero automatizado tiene como objetivo controlar diferentes variables como la temperatura, humedad, energía luminosa, etc. Como así también incrementar la producción de alimentos.

2).- HISTORIAL: Los invernaderos de nivel tecnológico bajo se caracterizan porque en sus instalaciones la mayoría de actividades, que implican el manejo de las estructuras y los cultivos, se realizan en forma manual. En general, son instalaciones que sólo cuentan con herramientas manuales y, en ocasiones, con algunos dispositivos mecánicos como bombas de combustión interna o eléctrica para riego, por lo general con manguera manual. Carecen de calentadores o equipos para el control de la temperatura, y la apertura y cierre de ventilas se realiza manualmente, en ocasiones sin la ayuda de malacates. Dentro de los invernaderos de nivel tecnológico medio se agrupan todas aquellas unidades con dispositivos mecánicos y eléctricos, como bombas para los sistemas de riego, calentadores de gas que encienden manual o automáticamente, la apertura y cierre de ventilas se realiza con malacates manuales y con motores. Cuentan con sistemas de fertirrigación rústicos. Existen dispositivos que necesariamente requieren de operadores humanos para ponerlos en funcionamiento y apagarlos. En los invernaderos automatizados de nivel tecnológico alto se incluyen instalaciones con dispositivos automatizados con sensores y actuadores para controlar el riego. Un ejemplo son los temporizadores o timers, que se propagan para encender y apagar bombas, así como fotoceldas para apagar y encender luces, o sensores para operar calentadores y otros dispositivos similares. Cuentan con algunas actividades por computadora. Los sistemas automáticos proporcionan cierta independencia en el manejo de los cultivos ya que se tiene el control de aspectos vitales, sin la dependencia de los operadores, que están en función de las variaciones ambientales y su efecto sobre las condiciones internas. Los invernaderos computarizados de nivel tecnológico mas altos son aquellos con ambientes controlados, en función de datos internos y externos. La mayor parte de los procesos se controlan por computadoras, las cuales se encargan de operar los equipos de riego, mantener estable la temperatura y realizar o inyectar las soluciones nutritivas, así como abrir y cerrar ventanas automáticamente. Cuentan con una serie de sensores que detectan las variaciones ambientales y envían señales a las computadoras para operar los dispositivos que se encargan de compensar o corregir las variaciones. En este tipo de instalaciones existe un control automatizado completo del ambiente y la nutrición de los cultivos, con sistemas de fertirrigación y el uso de pantallas térmicas y mallas Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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de sombreo. Son instalaciones herméticas y usan los insumos y equipo de aplicación más modernos, como aplicación de CO2, uso de acolchados blancos dentro del invernadero para el manejo de la luz, hormonas y abejorros para la polinización.

3).- DESARROLLO: 3.1).- LU Z D E EME RGE NCI A Este circuito provee una luz de emergencia que opera por batería, que se enciende automáticamente cuando ocurre una falla o corte en el suministro del servicio regular de energía CA. Cuando la energía de la red pública se restablece, la lámpara se apaga y la batería se carga automáticamente. Este circuito tiene la función de iluminar todos aquellos lugares que requieran permanentemente de un nivel de iluminación mínimo, evita errores, accidentes o pánico colectivo en situaciones de emergencias, lugares como salas de control, ascensores, corredores y escaleras, entre otros. La operación con base en los rectificadores controlados de silicio (SCR), hace que este circuito esté libre de mantenimiento. Con la red CA, el condensador C1, se carga a través del rectificador D2 y de la resistencia R1, para obtener un voltaje negativo en la compuerta (G) de SCR. De esta forma, se apaga el SCR manteniéndose así, se evitan disparos por inducciones parásitas de corriente en la compuerta y se mantiene apagada la lámpara de emergencia. Al mismo tiempo, la batería se mantiene totalmente en su carga maxima por medio del rectificador D1 y la resistencia R2 que controla su corriente de carga. Al fallar la red CA, C1 se descarga y el SCR se dispara por la batería a través de R3, asi la lámpara de emergencia se conecta a la batería. El tiempo de iluminación de la luz de emergencia depende de la potencia consumida por la lámpara y la capacidad de la batería.

Fig. 2 Circuito luz de emergencia


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3.2).- CONTADOR FOTOELEC TRICO DE PERSONAS Y OBJETOS El contador fotoeléctrico cuenta la cantidad de veces que un objeto opaco se interpone entre un rayo de luz y un sensor óptico. El estado de la cuenta se visualiza en tres displays de siete segmentos, lo que permite la cuenta en línea hasta de 999 objetos. El contador utiliza como sensor un LDR (resistencia dependiente de la luz) o fotocelda. La luz proviene de una fuente natural (sol) o artificial (lámparas incandescentes, fluorescentes, de neón, etc.). Cuando la cuenta llega a su tope máximo (999), el circuito se reinicia nuevamente en 0 y envía una señal de sobre flujo que se utiliza externamente para ampliar la longitud del conteo a 4 ó más dígitos. El circuito proporciona la facilidad de borrar la cuenta (reset) o detenerla (stop) en cualquier momento. No utiliza partes móviles y es extremadamente compacto, gracias a la adopción de una técnica digital que se conoce como muítiplex por división de tiempo. Al no existir contacto físico entre el sensor y el mundo externo, el sistema garantiza la ausencia de desgaste mecánico y cuenta objetos de cualquier índole, sin importar su forma o su peso. Esta es una de sus principales ventajas. Los contadores fotoeléctricos se utilizan en aplicaciones domésticas e industriales, y sustituyen a los contadores electromecánicos convencionales en numerosas situaciones. Se emplean para contar personas, animales y objetos como hojas, botellas, latas, cajas, bolsas, etc.

Fig. 3 Diagrama a bloques del contador fotoelectrico.

En la figura 3 se muestra el diagrama de bloques del contador fotoeléctrico. El sistema consta de un sensor de luz (LDR), un conformador de pulsos, un contador BCD de 3 décadas multiplexado, un decodificador de BCD a siete segmentos y un displays de 3 dígitos. En la figura 4 se muestra el circuito conformador de pulsos. En condiciones normales, la fuente de luz ilumina la fotocelda y su resistencia es baja. Como resultado, la entrada del inversor Schmitt-trigger recibe un alto y su salida es baja. Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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Fig. 4 Circuito conformador de pulsos

Cuando se interpone un objeto entre el rayo de luz y la fotocelda, la resistencia de esta última aumenta, aplica un bajo a la entrada del inversor Schmitt-trigger. Como respuesta, la salida del circuito realiza una transición de bajo a alto, es decir, produce un flanco de subida. Cuando el objeto deja de interrumpir el rayo de luz, la resistencia de la fotocelda disminuye y la salida del inversor se hace nuevamente baja. El resultado neto de este proceso es la emisión de un pulso positivo de voltaje. Este pulso se aplica al contador. Las fotoceldas no responden inmediatamente a los cambios en la intensidad de la luz incidente y, por tanto, generan señales lentas. Esta es la razón por la cual se emplea una compuerta Schmitt-trigger como dispositivo conformador de pulsos. El potenciómetro R2 permite ajustar la sensibilidad de la fotocelda de acuerdo a la intensidad de la luz incidente. La resistencia R1 sirve de protección, evita que circule una corriente grande cuando el potenciómetro está en su posición de mínima resistencia y la LDR se ilumina. El contador de pulsos es el corazón de este proyecto. Se desarrolla alrededor de un circuito integrado MC14553. Este chip, consiste de tres contadores BCD que se conectan en cascada. El primer contador registra, en código BCD, las unidades, el segundo las decenas y el tercero las centenas del número de pulsos. Por ejemplo, si ingresan 319 pulsos, en las salidas del primer contador se tiene el código BCD 0011 (3), en las salidas del segundo el código 0001 (1) y en las salidas del tercero el código 1001 (9). Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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Estos tres códigos se rotan secuencialmente en las salidas del contador MC 14553, y aparecen cada uno durante una fracción de tiempo ( 1.6 ms). Esta forma de presentar información digital se conoce como multipLex por división de tiempo. Las salidas del contador alimentan un decodificador 4543B, el cual convierte cada código BCD en un código de siete segmentos que excita, secuencialmente, los displays encargados de visualizar las unidades, decenas y centenas de la cuenta. En la figura 5 se muestra el diagrama esquemático completo del contador fotoeléctrico. Los pulsos provenientes del conformador se aplican al pin 12 del MC14553. Para que la cuenta ocurra, las líneas MR (reset maestro, pin13) y DIS (inhibidor, pin11) deben estar ambas en bajo. Para iniciar la cuenta a partir de 000 ó cancelarla en cualquier momento, se pulsa el botón de borrado S1 (RESET). De este modo, la línea MR (reset maestro pin 13) del MC14553 recibe un alto y todas las salidas BCD de sus contadores internos se hacen iguales a 0000. Para detener la cuenta y congelarla en el último valor que se registra, sin borrarla, se pulsa el botón de paro S2 (STOP). Cuando esto se hace, la línea DIS (inhibidor, pin 11) del MC14553 recibe un alto y se inhibe la operación de los contadores BCD internos. El condensador C1 determina la frecuencia de exploración, es decir, la rapidez con la cual el MC14553 muestra secuencialmente en sus salidas los códigos de las unidades, decenas y centenas de la cuenta actual.

Fig. 5 Diagrama esquemático del contador fotoelectrico


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3.3).- INTERRUPTOR ACTIVADO POR VOZ (VOX) CON AMPLIFICADOR El circuito se desarrolla alrededor de un amplificador operacional programable LM346, responde a órdenes vocales recibidas desde un micrófono, produce una señal digital en la salida de CONTROL y una señal análoga en la salida AUDIO. Esta última es una réplica amplia de la señal de entrada. La señal digital es de nivel alto cuando la amplitud de la señal de voz supera un cierto valor umbral y de nivel bajo en el caso contrario. El umbral de respuesta, ajustable entre 0 y 15V se fija mediante R7. Las corrientes internas y otras características de operación del LM346 se programan mediante R5 y R8 (RSET). Los demás componentes cumplen funciones auxiliares. El circuito se utiliza como un VOX (interruptor activado por voz) convencional para sustituir el clásico botón de PTT (press-to-talk: presionar para hablar) de los micrófonos de walkietalkies, radioteléfonos, transceptores de banda ciudadana, etc. Otras aplicaciones incluyen la preamplificación de señales de audio y el control de artefactos eléctricos mediante ordenes verbales. En caso de no contar con un micrófono se sustituye por otras fuentes de audio multiplicando las posibilidades de aplicación del circuito.

Fig. 6 Diagrama esquematico del circuito activador por voz.

3.4).- TER MÓME TRO LIN EAL DE B AJO COS TO Este termómetro utiliza un circuito integrado LM324 que entrega una salida en voltaje proporcional a la temperatura. Esta ultima se mueve en el rango de -45,5 hasta 148,8 grados C con una precisión de -17,77V/°C. La salida del LM324 se acondiciona por los amplificadores operacionales 1, 2 y 3, mientras que le amplificador operacional 4 controla el offset. La ganancia del amplificador de instrumentación configurado por los operacionales se establece al seleccionar el valor de R2. Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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Fig. 7 Diagrama esquemático del circuito termómetro lineal

3.5).- LUZ NOCT URNA AUT OMÁT ICA Al anochecer este dispositivo enciende automáticamente las luces de su zaguán, jardín, garaje o de las vidrieras de una tienda y, al amanecer, las apaga. Un montaje ideal para el que llega a su casa de noche y desea encontrar las luces encendidas o, también, para quien no esta en el lugar para encender o apagar las luces al anochecer o amanecer. Además de evitar el gasto excesivo de energía eléctrica al mantener las luces encendidas solo cuando falta luz natural, también reduce el monto de la factura de la luz, dado que no debemos preocuparnos por apagarla cuando dicha luz no es necesaria.

Fig. 8 Diagrama esquemático del circuito luz nocturna automática. Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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3.5.1).- CIRCUITO INTEGRADO 555 El circuito integrado 555 es un circuito integrado de bajo costo y de grandes prestaciones. Inicialmente se desarrollo por la firma Signetics. En la actualidad se construye por muchos otros fabricantes. Entre sus aplicaciones principales cabe destacar las de multivibrador estable y monoestable, detector de impulsos, etcétera.

Fig. 9 Circuito integrado 555.

Fig. 10 Diagrama que muestra como esta conformado el circuito integrado 555.


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3.5.1.1).- DESCRIPCION DE PATAS.

Fig. 11 Descripción de patas del 555. • •

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GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra. Disparo (normalmente la 2): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 se configura como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por un largo tiempo la salida se queda en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez. Salida (normalmente la 3): Aquí se ve el resultado de la operación del temporizador, ya sea que se conecte como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se obliga a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset (normalmente la 4). Reset (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee". Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla varia casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así se modifican los tiempos en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (se establece por las resistencias y condensadores que se conectan externamente al 555). El voltaje que se aplica a la patilla de control de voltaje varía entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causa la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, lo mejor es ponerle un condensador de 0.01µF esto evita las interferencias. Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo. Descarga (normalmente la 7): Se utiliza para descargar con efectividad el condensador externo que se utiliza por el temporizador para su funcionamiento. V+ (normalmente la 8): También se llama Vcc, alimentación, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios. Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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3.6).- DETECTOR DE HUMEDAD EN PLANTAS Y FLORES El detector de humedad, es un dispositivo práctico que se usa para examinar la humedad en la tierra alrededor de la planta, y asegurarse de que tiene el agua necesaria. Para operarlo se energiza el circuito y se introducen los puntos de prueba (probadores cables) en la tierra alrededor de la planta. Al mismo tiempo que hace esto el LED comienza a destellar a una frecuencia proporcional a la humedad del suelo. A más humedad más rápido el destello y viceversa. Si no hay humedad el LED no destella. En este circuito la frecuencia de los pulsos se controla por la resistencia entre los probadores. La resistencia entre estos, depende de la humedad que estos detectan. A más humedad, menos resistencia y viceversa.

Fig. 12 Diagrama esquemático del circuito detector de humedad de plantas.

3.7).- DET ECT OR DE NIV EL DE AGUA Los detectores de agua comunes presentan varios inconvenientes. Si se trabaja con voltajes DC en las puntas, las mismas se oxidan, mientras que si se trabaja con voltajes AC típicos de 5 a 20KHz aumenta el consumo de corriente y la complejidad del circuito. Lo mismo sucede cuando se utilizan circuitos integrados dedicados, incluso cuando no hay agua presente. El circuito se basa en tres de las cuatro compuertas NAND Schmitt-Trigger de un circuito integrado 4093B, supera estos inconvenientes. Una de las compuertas del 4093B trabaja como oscilador. En condiciones normales, con las puntas de prueba al aire, la frecuencia del oscilador es del orden de 0.1Hz en virtud de la resistencia de realimentación de 66M (R1+R2) y el condensador de 0.1uF (C1). Por tanto, solo se escucha un breve clic del parlante o sonar cada 10 segundos, lo cual es útil para confirmar que el circuito opera correctamente. Ing. Fernan Odiel Ochoa Amador, Código: 301330403, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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Cuando las puntas de prueba hacen contacto con el agua o con un medio húmedo, la resistencia de realimentación equivalente se reduce, causa un aumento de la frecuencia de oscilación. Como resultado, se escucha un tono audible en el parlante. Dos de las compuertas restantes del 4093B se utilizan como buffers para las señales que van hacia el parlante. La resistencia R3 evita que la salida y la entrada de la compuerta osciladora queden en corto cuando se unen las puntas de cerca de 75uA en reposo y 1,5mA cuando encuentra agua. El circuito integrado trabajar en un rango de 5 a 15 voltios.

Fig. 13 Diagrama esquemático del circuito detector de nivel de agua.

3.8).- MICROCONTROLADOR AT89S52 El AT89C52 es un microcontrolador de baja potencia, Cmos, con 8Kbytes de la memoria sólo para leer, programable y borrable de destello (EPROM). El 8952 es un microordenador de gran alcance que proporciona una solución altamente flexible y rentable a muchos usos encajados del control. Los 8952 proporciona las características siguientes: · 8 Kilobytes del flash · 256 octetos de ESPOLÓN · Líneas de la entrada-salida del 32 · Tres contadores Además, los 8952 se diseñan con la lógica estática para la operación abajo a la frecuencia cero y apoya dos modos seleccionables del ahorro de energía del software. El modo ocioso para la CPU mientras que permite que el ESPOLÓN, el contador de tiempo/los contadores, el puerto serial y el sistema de la interrupción continúen en funcionamiento. El modo de la energía abajo ahorra el contenido del ESPOLÓN pero las heladas el oscilador que inhabilita el resto de la viruta funciona hasta el reajuste siguiente del hardware.


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Fig. 14 Descripción de patas del microcontrolador.

3.9).- DIAGRAMA DE CONTROL FINAL

Fig. 15 Diagrama esquemático del circuito final de control.


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4).- RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 4.1).- Resultados El proyecto funciona sin necesidad de supervisión humana, es capaz de mantener en buenas condiciones cualquier tipo de invernadero ya sea casero e incluso uno de alto nivel.

4.2).- Conclusiones El invernadero cumple con todo lo necesario para ser un sistema inteligente de mantenimiento de plantas, gracias a esto ahorra energía y tiempo y aumenta el nivel de producción en un rango considerable.

4.3).- Recomendaciones Los sensores de temperatura como los detectores de nivel de agua se ajustan basándose en las condiciones reales de cada invernadero, esto hace que cada invernadero funcione adecuadamente y que cada invernadero se personalice al gusto de cada persona.

5).- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y LIGAS [1] http://www.teorema.com.mx/ [2] http://www.electronica2000.com/ [3] http://es.wikipedia.org/wiki/Portada [4] http://cfievalladolid2.net/tecno [5] http://www.forosdeelectronica.com [6] Apuntes http://proton.ucting.udg.mx/materias/ET201/index.html [7] Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, Prentice Hall, México, 1999. [8] Diseño con amplificadores operaciones y circuitos integrados analógicos, Sergio Franco, 3ra edición. 2005, Mac Graw Hill, Págs. 83-84,411-416, México D.F.


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