Deshidratador Solar + Arduino

El proyecto inicio con la idea de conservar los alimentos por un periodo de tiempo más largo que el habitual, utilizando la deshidratación por un medio pasivo podemos evitar que los microorganismos den origen a la presencia de enfermedades que en los frutos generan pudriciones, ablandamientos, cambios de color o fermentaciones que modifican su sabor normal.

Existe mucha más información en la red y otros recursos, si es que desean profundizar en el tema, lo que cito únicamente es para mostrar una de las prioridades del dispositivo, que es la deshidratar alimentos y poderlos conservar por un periodo más largo, evitando en menor escala la perdida poscosecha.

Existe una gran variedad de modelos de deshidratadores de alimentos en la red, algunos son pequeños, otros robustos como Large Scale Solar Dehydrator que son muy convenientes pero tienen el problema de que requieren mucho espacio ya que tiene una cámara de calentamiento del aire y otro para el secado de los alimentos, como se muestra en la figura principal:

Por otra parte existen deshidratadores eléctricos mucho más sofisticados pero con la pena de que consumen una gran cantidad de energía eléctrica para poder secar los alimentos, uno de los objetivos del diseño es que procure usar tecnología amigable con nuestro medio ambiente y que fácilmente adopte el aprovechamiento de la energía solar para la conservación de los alimentos.

Y sin mayor preámbulo, vamos a comenzar con el proyecto ;) .

El primer paso es idear el diseño del deshidratador, no hay que hacer tanto hincapié en este detalle, solamente procurar evitar diseños enormes, en particular yo tome uno de la red y le hice ligeras readaptaciones como se muestran:

Las dimensiones de la base son de 300mm por 460 mm, las demás medidas se pueden apreciar como las de la parte lateral de la cámara de secado, recuerden que todas las dimensiones son en mm.

Finalmente :) podemos apreciar el espacio que tendremos en nuestra cámara, si es que aún no puedes visualizarlo, sigue adelante que el siguiente paso seguro que te darás cuenta.

Una vez que tenemos contemplado nuestro diseño es momento de seleccionar y prever los materiales para su construcción. No debemos de olvidar que vamos a trabajar con “alimentos” y que es conveniente utilizar materiales que eviten la corrosión para evitar daños a la salud.

Materiales para la construcción de la cámara de deshidratación:

1. Perfil cuadrado de acero de 20mm X 20mm X 2mm de espesor (¾” X ¾” X 0.0788”).
2. Hoja de Triplay de 5mm de espesor (preferible que la estructura sea ligera).
3. Hoja de Aluminio de 1mm de espesor.
4. Perfiles cuadrados de madera de 20mm X 20mm.
5. Perfiles cuadrados de madera de 10mm X 10mm
6. 2 bisagras pequeñas.
7. 1 seguro pequeño (para poder cerrar la puerta por donde se van a ingresar los alimentos).
8. 1 pieza de policarbonato sólido, (sino se te es posible conseguir este material, intenta con acrílico y una película que simule las propiedades del policarbonato, que más adelante la mencionare con detalle).
9. Angulo de Aluminio (10mm).
10. Rejilla de Acero Inoxidable

Herramientas para la construcción de la cámara de deshidratación:

1. Elementos de seguridad ante todo (guantes, gafas, vestimenta, etc.).
2. Cortadora de disco abrasivo (puedes utilizar arco con segueta, pero seguro requerirás de tiempo y esfuerzo XD).
3. Máquina de soldar.
4. Instrumentos para cortar madera.
5. Taladro.
6. Remachadora.
7. Tijeras para cortar las hojas de aluminio.

Creamos la estructura con los perfiles de 20mm X 20mm, y el diseño quedaría más o menos como se muestra en las siguientes figuras.

Una vez soldado todas las piezas, nos disponemos a hacer las piezas de madera juntos con las hojas de aluminio, que servirán para envolver la estructura metálica exteriormente.

Este paso es importante detallar porque se utilizaron estos materiales, en principio, porque tienen baja densidad, es decir que son ligeros. La madera por ejemplo, es fácil de maquilar y tiene una gran resistencia si se le agrega un tratamiento superficial, las hojas de Aluminio se utilizaran para forrar las paredes de madera y permitir que haya una mayor transferencia de calor al interior de la cámara de secado, además que es un material que gracias a su capa de alúmina, tiene gran resistencia a la corrosión.

Para poder obtener las piezas laterales como todas las demás, utilicen las medidas de las figuras iniciales y solamente agréguenles un marco de 10mm, a la hora de colocarlas en la estructura interna, se darán cuenta que se requieren de ligeras modificaciones para ensamblarlo (nada considerable).

Oppps, olvide mencionarles de que antes de que ponga las piezas de madera, deben ir las hojas de aluminio, recuerden que requerimos alcanzar una gran temperatura dentro de la cámara, para eso utilizamos dicho recubrimiento. Lo que yo hice fue presentar las hojas de aluminio junto con las de madera y las remache a la estructura metálica.

Partiendo de la simulación; una vez que tengamos todas las paredes de madera, se acoplan a la estructura metálica, que previamente debe de estar pintada para evitar la corrosión. Noten que las hojas de Aluminio están al interior de la cámara, para la sujeción de las paredes se utilizaron remaches.

Para hacer la puerta donde se ingresaran los alimentos, utilicen los perfiles de madera de 20mm X 20mm, imagínense que van a crear un marco.

Bien, ahora lo que resta es pintar toda la cámara de secado, es preferible utilizar un color oscuro para no permitir que la luz proyectada por el Sol se refleje, es posible utilizar un material distinto a la madera ya que no es un material que transmita de manera eficiente el calor, si está dentro de tus posibilidades cambiarlo!, hazlo ;) .

Recuerden utilizar las pequeñas bisagras para colocar la puerta, una vez que hayan llegado hasta aquí, vamos a colocar unos ángulos de Aluminio al interior de la cámara que servirán para deslizar unas rejillas de acero inoxidable, sujetas con los otros marcos de madera, para esto utilizaran los perfiles de ese material de 10mm X 10mm.

En la pared superior que se encuentra justo por encima de la puerta de acceso, se debe dejar una pequeña apertura, ¿y esto para que?, bueno, se debe de ingresar aire fresco de algún lugar, este va tener acceso por la parte de abajo, donde tenemos una ligera inclinación en la base. Lo que vamos a provocar dentro de la cámara de secado es parecido al efecto invernadero que se crea en la Tierra, el aire que ingresa al interior se calienta gracias a la proyección de los rayos solares, pero debemos permitir que este salga, ya que si se deja por demasiado tiempo o si permitimos que alcance una elevada temperatura podemos quemar los alimentos o quitarle algunas de sus propiedades benéficas.

Es importante conocer la relación que tiene la humedad relativa con la temperatura y el tiempo, todo esto para preservar con calidad las propiedades de los alimentos, hay muchísimas fuentes en la red que te ayudaran a entender con profundidad acerca del tema.

Finalmente coloca la ventana de policarbonato (en mi caso utilicé acrílico) y remacha.

Hasta este paso, lo que hemos creado es una cámara de deshidratación convencional, seguramente se preguntarán ¿y que tiene que ver esto con el titulo original?, bueno recordemos lo que mencioné al principio. Como este diseño no puede contar con una área de calentamiento y otra de secado, lo que haremos es que el prototipo gire con respecto al movimiento aparente del Sol, esto garantiza que la mayor parte de la proyección solar se de al interior de la cámara, mejorando la eficiencia térmica durante todo el día.

En principio necesitamos de una estructura que permita realizar el movimiento azimutal. Después de pensar en varios diseños, me di cuenta que lo que necesitaba estaba justo debajo de mi, una pequeña "silla de escritorio", es justo lo que requería. Tome la estructura de la silla y quite las ruedas que tenía, la base que soportaba el asiento se lo coloque a la cámara de secado y Eureka, tengo el soporte y los movimientos convenientes del prototipo.

Por debajo de las patas que soportaran el dispositivo, se soldó un pedazo de solera para poder sujetar el motor CD, como este ya tenia algunos tornillos, únicamente barrene la solera para poder atornillar.

La parte mecánica está hecha!, con esto podemos comenzar la parte electrónica. Antes de iniciar, describo las funciones que hará el prototipo...

• Girar la cámara azimutalmente.
  
• Sensar la humedad relativa y la temperatura al interior de la cámara de secado.
  
• Abrir una compuerta, permitiendo salir al aire caliente para que la temperatura no exceda de lo que el alimento requiere.
  

En esencia, estos son los requerimientos principales del proyecto.

Para girar el dispositivo requerimos de un motor y de sensores que nos permita percibir la intensidad de la radiación solar. En mi caso particular, utilice un viejo motor CD 12 V que tengo a la mano, al parecer su uso era para limpiar el parabrisas de un tracto camión. Este motor tiene un conjunto de elementos (piñón y tornillo sin fin) que producen una reducción al giro :) . Aún con la reducción por el conjunto de engranajes, utilice PWM para disminuir la velocidad del giro, ya que no es necesario realizarlo periódicamente.

Hice una pequeña modificación al eje del motor para poder acoplarlo a la base de la cámara de secado. Para sensar la intensidad solar, utilice los pequeños LDR, por suerte encontré unos con dimensiones más grandes, inclusive con estuches que servian como interruptores de lámparas ordinarias.

Para poder girar el motor en ambos sentidos, utilice un puente H; como es posible de que el motor requiera un amperaje considerable, me permití utilizar este puente creado por PyroElectro.

El vídeo muestra la prueba que se realizo al motor para ver si soportaba una carga mayor de 8 kilogramos, al final se coloco un peso de 12 kilogramos trabajando sin problemas.
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Como lo mencione anteriormente, es importante saber la relación de humedad-temperatura y el tiempo de secado, porque sabemos de antemano que las propiedades de los alimentos varían, es decir, no se deshidratan los alimentos a la misma temperatura ni tampoco tienen el mismo tiempo de secado, para esto necesitamos controlar ambos parámetros, esto lo vamos a lograr gracias al sensor DHT-22, que tiene una gran respuesta ante estas variables (al menos para estos requerimientos). Aquí les dejo un link donde pueden encontrar una tabla básica de tiempo y temperatura para distintos productos orgánicos.

Ocupando dicho sensor, podemos controlar la apertura y cierre de la compuerta que permite expulsar el aire caliente, evitando que haya una elevada temperatura dentro de la cámara que pueda eliminar propiedades benéficas de los alimentos. Para el control de la puerta ocupé el integrado L293D que se conforma de un par de puentes H, el mecanismo es el mismo que se ocupa para abrir las unidades de disco de la computadoras. Perdonen que este sistema no se vea profesional por no decirlo tan feo. Los interruptores de final de carrera se utilizan para parar el motor cuando se es necesario.

Por último, para poder visualizar las variables de los distintos parámetros vamos a ocupar el display TFT 1.8", la idea es poder mostrar los datos de los sensores de luminosidad, en el programa vamos a definirlos como porcentajes, también se verán tanto la temperatura como la humedad dentro de la cámara de secado, así como la temperatura externa con ayuda del sensor LM35, esto para comparar la temperatura al interior y al exterior del dispositivo.

Este video muestra el funcionamiento de la apertura y cierre de la puerta, tuve que agregar una fuente de calor cerca del sensor para que pudiera mandar la acción el controlador, ya se que se atoro un poco la puerta :), como ven la madera no es buen material para deslizar. Para poder utilizar el display, necesitaran descargar antes unas cuantas librerias:

• Adafruit-DHT-Library – DHT22
• Adafruit-ST3375-Library – TFT-Display HY-1.8 SPI (ST7735)
• Adafruit-Graphics-Library

Este es el momento oportuno para reconocer a Ronny Simon, quien me inspiro con sus excelentes tutoriales.

Para finalizar vamos a ver las conexiones de los distintos elementos eléctricos y la forma de resguardarlos, con uno pedazos de madera pueden hacer un estuche simple, no es primordial detallar medidas en este punto, ya que lo único que deben tomar en cuenta es que todos los elementos quepan y queden íntegros. Quienes tengan una impresora 3D o una cortadora láser, pueden hacer maravillas con esto. Utilicen un pedazo de madera para tapar el estuche y hagan un espacio donde les parezca conveniente poner el display, sujeten la puerta con un par de bisagras más, coloque un pequeño cerrojo para mantenerlo cerrado y evitar la polución.

Si su idea es dejarlo en la intemperie, les recomiendo agregar algunos elementos de protección, especialmente para los circuitos.

Si tienes las librerías instaladas (si es que aun no sabes instalar librerías en Arduino, utiliza este instructable) y los sensores conectados al Arduino UNO descarga el archivo y podrás visualizar los parámetros que definimos.Este vídeo te muestra lo que debe hacer tu deshidratador ;) . Si te das cuenta que el dispositivo tarda en girar es porque en el control tiene que esperar unos segundos para hacer la lectura de los sensores, comparar e indicar que función es la siguiente en ejecutar, ¿se puede modificar el tiempo de ejecución?, claro, simplemente cambia el valor de demora y hazlo tan rápido como quieras.

Mejoras:

• Si deseas colocar más cantidad de alimentos, además de requerir modificar la estructura del diseño, deberas de pensar en un motor más grande, es posible que puedas utilizar otro tipo de motores (servo, a pasos, etc) para mejorar la exactitud del giro, pero esto se ve reflejado en el precio.
• Cuando se habla de alimentos, el material más conveniente es el acero inoxidable de grado alimenticio, si tienes la posibilidad de utilizarlo, no dudes en hacerlo ;) .
• Cambia el mecanismo de la puerta, esta muy feo :(.
• La fuente de alimentación que se ocupo fue un ATX de computadora, pero puedes cambiarla fácilmente por una batería y que esta sea cargada mediante un panel solar, ya que el movimiento aparente del Sol no es muy rápido, por lo que el motor no esta funcionando todo el día.
• Utiliza policarbonato en la cámara de secado, este material garantizara que tus alimentos no pierdan sabor, olor ni sus propiedades por el daño que sufren por cierto rango del espectro UV.
• Cambia, rediseña y diviértete mejorando el medio ambiente que te rodea!