V Congreso Iberoamericano SOCOTE -Soporte del Conocimiento con la Tecnología

Universidad de San Martin de Porres, 15-16 de Octubre de 2013

Diseño e implementación de sensores para el monitoreo de variables

climatológicas usando un Microcontrolador

Manuel Sánchez Chero1, Jenner Espinoza Roman

2

1Escuela Académica de Ingeniería Industrial. Universidad de San Martín Filial Norte. Lambayeque.

msanchezc@usmp.pe 2Escuela Académica de Ingeniería Industrial. Universidad de San Martín Filial Norte. Lambayeque.

jespinozar@usmp.pe

Resumen

En el presente artículo se muestra como fue elaborado un sistema de medición de variables

climatológicas usando un Microcontrolador, así como el desarrollo de una interfaz para

monitorear las variables en línea, con el objeto de realizar las lecturas de los sensores de

temperatura, radiación solar, dirección y velocidad del viento y su respectivo almacenamiento,

dicha información es necesaria para los estudiantes de Ingeniería como para los estudiantes de

los programas de Nivel Técnico Operativo del Senati, por que le permitirá disponer de

información para tomar decisiones en la elaboración de equipos de energía renovable.

El estudio es de naturaleza Tecnológica y se desarrolló en 4 etapas, revisión documental referente

a los diferentes sensores, se diseño los sensores para capturar las variables, se desarrollo la

programación para el Microcontrolador 16F876 y por último se desarrollo la interfaz gráfica

para visualizar las variables en línea.

Los resultados obtenidos referentes al diseño de los sensores reflejaron un nivel de confiabilidad

del 99% en el anemómetro y un 100% en la veleta con relación a los equipos comerciales

existentes para estaciones meteorológicas.

Palabras clave: Energía, Microcontrolador, Programación, Sensores.

Abstract

Thisarticle shows howitwasdeveloped a measurementsystemusing a microcontrollerclimatological

variables, and thedevelopment of an interface to monitor online variables, in ordertoperformthe

sensor readings of temperature, solar radiation, winddirection and speed and

theirrespectivestorage, suchinformationisneededforengineeringstudents and

studentprogramsSenatiOperationalTechnicalLevel, byallowing you

tohaveinformationtomakedecisions in thedevelopment of powerequipmentrenewable.

Thestudyis of a Technology and wasdeveloped in fourstages,

documentreviewconcerningthedifferentsensors, sensorsforcapturingdesign variables,

developingprogrammingfor 16F876 Microcontroller and finallydevelopinggraphical interface

todisplaythe variables online.

Theresultsconcerningthedesign of thesensorsshowed a confidencelevel of 99% in theanemometer

and vane 100% in relationtoexistingcommercialequipmentformeteorologicalstations.

Keywords:Energy, Microcontroller, Programming, Sensors.

1. Estudio Preliminar

En esta etapa se efectuó una amplia revisión bibliográfica relacionada a la elaboración de un

Sistema de medición de variables meteorológicas usando un Microcontrolador, la revisión

incluye proyectos desarrollados en este campo, libros publicados referentes al área, así como

en Internet (diferentes direcciones consultadas), catálogos, etc.

Adicionalmente se procedió a la búsqueda de información para el desarrollo de la etapa de

Hardware y Software requerido para el proyecto.

En lo que respecta a la gran cantidad de información que es necesario procesar de una manera

rápida y eficiente, se determinó la utilización de un Microcontrolador con el propósito de leer

señales a través de los sensores y almacenarlos en su memoria y a través del puerto serial

utilizando una interfaz gráfica pasar la información del Microcontrolador a una Base de

Datos.

Para censar la temperatura se revisó las diversas características de distintos dispositivos

semiconductores que se encuentran disponibles comercialmente, siendo seleccionando

finalmente el denominado LM35 dado que este componente cumple con las característica para

este tipo de investigación.

Finalmente se procedió a la recopilación y estudio de la información relacionada con el

software MicroCode Studio para la programación del PIC, así como para el desarrollo de la

interfaz gráfica se usó Microsoft Visual Basic.

2. Diseñar e implementar los sensores para la captura de las variables.

Para sensar la temperatura se revisó las diversas características de distintos dispositivos

semiconductores que se encuentran disponibles comercialmente, y también una tesis

denominada “Diseño e Implementación Metereológica Virtual” de la UMSNH – Facultad de

Ingeniería Eléctrica- México; siendo seleccionando finalmente el denominado LM35 dado

que este componente cumple con las característica para este tipo de investigación.

Por otro lado se revisaron las características de los sensores de la estación meteorológica de la

Universidad Nacional «Pedro Ruiz Gallo», la cual fue utilizada para validar las mediciones

obtenidas por el Sistema de Medición diseñado.

2.1. Medición de Temperatura Ambiente

Para realizar el monitoreo de la temperatura ambiente, se utilizó el sensor LM35.

2.1.1 Funcionamiento del Sensor LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango que

abarca desde -55º a +150ºC.

El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el más común es el TO-92 de igual

forma que un típico transistor con 3 pines, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos

entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. Como se

ha comentado, el LM35 tiene 3 pines, Vs (la de alimentación), Vout (la central) y masa, y

como se muestra en la Figura 1:

Figura 1. Configuración de Pines del LM35

Calibración directa para Grados Celsius.

Su rango de respuesta abarca desde –55ºC hasta +150ºC

Opera con una alimentación desde 4 hasta 30 volts.

Menos de 60A de corriente de pérdida.

Grado de No-linealidad: solamente (ºC típica)

Baja impedancia de salida: 0.1 (para 1mA de carga)

La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC, por lo tanto :

+1500mV = 150ºC

+250mV = 25ºC

-550mV = -55ºC

Para su funcionamiento, conectamos a la fuente poder y soldamos el positivo de la fuente a

uno de los bornes del interruptor. Después soldamos otro cable desde el Vs del LM35 al otro

borne del interruptor. Ahora tenemos conectado el pin VS del LM35 al borne + de la fuente,

pero con el interruptor en medio (lo cual nos servirá para poder apagar y encender el sensor,

es decir, alimentarlo o no). El otro cable de la fuente (la masa) lo llevamos directamente a la

masa del LM35 (ya tenemos cortado el positivo por el interruptor, que corta el circuito cuando

lo queramos, así que este puede ir directo).Soldamos un cable a la masa de la fuente, y lo

llevamos hasta la masa del LM35.Podemos conectarlo a un conversor Analógico/Digital y

tratar la medida digitalmente, almacenarla o procesarla con un µControlador o similar.

Figura 2. Conexión de Pines del LM35

LEYENDA

5

6

7

8

9

10

CAZOLETA1

BARRA HORIZONTAL2

NUEZ3

TUERCA4

EJE VERTICAL5

COJINETES6

TUBO CILINDRICO7

TAPA8

DISCO9

BASE10

1

23

4

2.2. Medición de Velocidad de Viento (anemómetro)

Para conocer cuál es la Dirección del Viento en un cierto lugar, se tuvo que diseñar un

anemómetro, instrumento mecánico que permite determinar la velocidad en m/s.

2.2.1 Funcionamiento del anemómetro

La medida de la velocidad requiere de un proceso de conteo de pulsos provenientes del

sensor.Para calibrar el equipo se registro información por espacio de 4 semanas, en diferentes

horarios utilizando un intervalo de medida de 1 hora.

Parte Mecánica

Se llaman anemómetros a los aparatos destinados a medir la velocidad del viento, el tipo más

común consta de tres cazoletas semi – esféricas. Situados en los extremos de brazos

horizontales que parten de un eje vertical capaz de girar. Cuanto mayor sea la velocidad del

viento tanto más rápidamente girarán las cazoletas y con ellas el eje al que van unidas.

Figura 3. Diagrama esquemático de la parte mecánica del sensor de velocidad

Descripción de las Partes

Cazoletas

Material : Plancha de hierro galvanizado

Espesor: 1.6 mm (1/16”)

Dimensiones: Casquete semi – esférico de 7 cm (2¾”) de diámetro. Con el moldeado

resultó un espesor de 0.98 mm, y una masa de 21,21 g para cada cazoleta

Brazo

Materia : Aluminio

Dimensiones :

Diámetro : 6,3 mm ( ¼ ”)

Longitud : 7,5 cm

Fijación de las cazoletas : Tuercas de 6,3 mm (¼ ”).

Nuez

Material : Barra cilíndrica de Aluminio

Dimensiones :

Diámetro : 16 mm

Alto : 20 mm

Masa : 7,03 g.

Los brazos se fijan a presión sobre la nuez mientras que el eje mediante rosca de 6,3

mm (¼”)

Eje vertical

Material : Varilla cilíndrica de hierro

Dimensiones :

Diámetro : 6,3 mm (¼ “).

Longitud :

Rosca superior : 30 mm

Rosca inferior : 06 mm

Entre cojinetes : 83 mm

Espesor de 02 cojinetes : 12 mm

Margen para tapa y disco : 23 mm

TOTAL : 154 mm.

Cojinetes

Material : Tubo de hierro

Dimensiones

Diámetro : 15,9 mm (5/8”)

Espesor : 6,3 mm (¼ “).

Protector

Material : Tubo de hierro

Dimensiones

Diámetro : Exterior 28.5 mm

Longitud : Hasta la parte superior de los cojinetes 95 mm

Espesor : 6,3 mm (¼ “).

Fijación a la tapa : Mediante soldadura eléctrica

Tapa de la base

Material: Plancha de hierro

Dimensiones:

Diámetro: 114,3 mm. Espesor: 3,2 mm (1/8“).

Figura 4. Plano de Disco del sensor de velocidad

Disco

Material: Acrílico de color blanco

Dimensiones

Diámetro: 60 mm. Espesor : 2 mm.

Número de agujeros: El modelo va a ser utilizado con equipos de instrumentación

programables, se selecciono 16 agujeros (24=16).

Diámetro de los agujeros: El diámetro de los diodos infrarrojos (3 mm). Se seleccionó

3,2 mm (1/8”) que corresponde a la dimensión de broca estándar.

Posición de los agujeros: a 25 mm del centro.

Fijación del disco : Con tuerca de 6,3 mm (¼“)

Parte Electrónica

Está conformada por una barrera infrarroja. La distancia de separación entre emisor y receptor

es de 0,4 cm. La siguiente imagen muestra los planos correspondientes

Figura 5. Plano frontal del sensor de velocidad.

DISCO

Consideraciones de diseño.

Distancia entre emisor y receptor:

Margen : 1 mm a cada lado del disco.

Espesor del disco : 2mm

Total : 4 mm.

Tensión de alimentación: Vcc=+5V.

Selección de la resistencia que limita la corriente del emisor:

Corriente crítica: Ip = 3 mA. (Valor experimental)

Tensión de trabajo: Vd = 2 V.

Utilizando la ecuación (5) se obtiene:

R1 = 1 KΩ, 9 mW.

Selección de la resistencia de la red del diodo receptor.

Tensión umbral para TTL :Vu=0,8 V

Corriente del receptor :Iq=1 mA (valor experimental)

Considerando que la tensión en la resistencia es: Tr = 1 V (>Vu) y utilizando la

ecuación (6) se obtiene:

R2 = 1KΩ, 1 mW

Figura 6. Vista Interior de los Sensores – Velocidad.

Figura 7. Vista Externa del Anemómetro

Funcionamiento

La siguiente tabla muestra las velocidades en función al número de pulsos.

Tabla 1.Velocidades en función al número de pulsos

N V (m/s) 1 1,4003

2 1,5102

3 1,6201

4 1,7300

5 1,8399

6 1,9498

7 2,0597

8 2,1696

9 2,2795

10 2,3894

11 2,4993

12 2,6092

13 2,7191

14 2,8290

15 2,9389

Aplicando el método de los mínimos cuadrados, se obtiene para un modelo lineal la siguiente

ecuación (1).

2904,11099,0 nv (1)

Donde:

n = numero de pulsos registrados

2.3. Medición de la Dirección del Viento (Veleta)

La forma más estándar de observar la dirección del viento es por medio de la veleta, en la cual

las paletas son ligeramente quebradas, y debe estar perfectamente equilibrada, para lo cual se

suspende sobre su centro de masa, para conseguirlo lleva un contrapeso en la flecha. Cuya

posición se regula hasta conseguir el deseado equilibrio. Cuando sopla el viento el aparato

tiende a colocarse en la posición de mínima resistencia y la punta de la flecha señala la

dirección de donde sopla el viento.

12 6

13

14

7

1516

8

1

2

1

3

42

5

3

6

7

4

89

5

10

11

NNW NNE

ENE

SSE

ESE

SSW

WSW

WNW

N

E

S

W

NE

SW

NW

SE

Figura 8. Diagrama esquemático de la parte mecánica del sensor de Dirección

2.3.1 Funcionamiento de la veleta

La medida de la dirección requiere del registro del código digital (4 bits) que proporciona el

sensor de dirección, para determinar la dirección se comparo el código digital con la siguiente

tabla la cual muestra la asignación de las direcciones (16 en total), de la roseta de vientos.

Figura 9. Roseta de los Vientos.

1

NUEZ FIJA2

BARRA HORIZONTAL3

NUEZ CORREDIZA4

CONTRAPESO5

EJE VERTICAL6

COJINETES7

TUBO CILINDRICO8

TAPA9

DISCO10

BASE11

1

2

3 4 5

LEYENDA

6

7

8

9

10

11

LAMINA

Tabla 2.Asignación de Direcciones

3. Desarrollar las instrucciones en MicroCode Studio para Microntrolador PIC16F876

Para está etapa se realizó la grabación respectiva del microcontrolador, apoyado en el

Software MicroCode Studio, que consta de los módulos para el monitoreo de las variables,

que serán capturados a través de los sensores.

Figura 10.Esquema general entre la PC y el Microcontrolador.

DIRECCION BINARIO DECIMAL

N 0010 2

N – NE 0110 6

NE 0111 7

E – NE 0101 5

E 0100 4

E – SE 1100 12

SE 1101 13

S – SE 1111 15

S 1110 14

S – SW 1010 10

SW 1011 11

W – SW 1001 9

W 1000 8

W – NW 0000 0

NW 0001 1

N – NW 0011 3

)(º ST 1STe

10HZ

2STe )(1 sy1K

4. Desarrollo de la interfaz gráfica.

La interfaz gráfica fue diseñada usando Microsoft Visual Basic (Figura 7), de tal manera que

se realizar la programación en forma gráfica. Una de las ventajas que se tienen al utilizar

Visual Basic es que da la posibilidad de almacenar los datos en una Base de Datos, se

obtienen soluciones en forma rápida sin profundizar mucho en lo que es la programación.

Además, cuenta con un gran número de funciones para los requerimientos de manejo de

Puerto Serial puede llegar a trabajar con rutinas realizadas en “C” y en algunos otros

lenguajes de programación.

Figura 11. Pantalla Principal de la Interfaz Gráfica.

5. Modelo Matemático

De acuerdo a la Teoría de Sistemas el Modelo Matemático de un sistema de adquisición de

datos para las siguientes variables será:

Temperatura

Figura 12. Modelo Pantalla Principal de la Interfaz Gráfica

Tabla 3. Descripción del Modelo para la Variable Temperatura

Variable Descripción

1K Representa la constante de lineabilidad del sensor de Tº ( p.e :20 mv/ºC )

1STe

Representa el retardo que toma el sensor de temperatura por convertir ese

valor siendo 1T el tiempo de demora, puede ser ms, s , etc.

10HZ Retenedor de orden cero. Modela el tiempo de adquisición de los datos por

parte del operador (programador)

2STe

Modela el retardo del microprocesador. Es el tiempo en que demora el

procesador en convertir la señal desde el conversor AD hasta la entrega del

dato al PC mediante el puerto RS232

Modelo Completo

Figura 13. Modelo Matemático Completo

Donde:

Tº(s) ----- Temperatura

V(s) ----- Velocidad

D(s) ----- Dirección

Y1(S), Y2(S), Y3(S)------ Datos hacia el PC Digitales

OBSERVACION

1. El tiempo de muestreo tiene que ser al menos el doble del periodo máximo de la

señal (Teorema del Muestreo). En esta Investigación no hay problema pues si se ha

cumplido.

2. El tiempo de muestreo ( ST ) debe ser mayor que el tiempo que demora el

procesador (PT ) en digitalizar la señal y entregar el dato al PC. Este requerimiento

también se ha cumplido. Por ejemplo tiempo de muestra 95 y tiempo en procesar

la información en el microprocesador 50 – 70 ms

3. Las funciones de todas las variables son de Primer Orden y el Sistema es de Lazo

Abierto, dado que solo captura la señal, la procesa y la muestra en Pantalla.

P (S)

Tº (s)

V (s)

Y (s)

Y (s)

Y (s)D (s)

1

2

3

6. Resultados

Con el Sensor LM35

Para medir la efectividad con la recolección de datos, con el presente instrumento se

registró información en la Base Aérea Nº 06 – Chiclayo – paralelo con el sensor durante

la primera semana del mes de Junio del 2005

Dicha tabla muestra la obtención del registro de información en intervalos de 1 hora (168

datos), desde el 01 al 07 de Junio del 2005, durante las 24 horas, tanto para el equipo del

Grupo Aéreo Nº 06 como para el Sensor.

En dicha comparación, se obtuvo un valor de 0,9647 lo que es un valor aceptable entre

ellos.

Figura 14. Comparación de Temperaturas entre el sensor LM35 – Grupo Aéreo Nº 06 FAP

Con el Anemómetro

Con respecto a la Velocidad del viento, se registró información en la Estación

Climatológica Principal de la UNPRG paralelo al Anemocinemógrafo dentro del 23 al 26

de Mayo del 2005, escogiéndose los datos del día 26 como más aceptables dado a las

precauciones tomadas en ese día.

Estableciéndose la correlación entre los valores medidos con el anemocinemógrafo y el

anemómetro, se obtuvo un valor de: R=0,99908798; lo que es un valor aceptable dada la

alta correlación entre ellos.

Con la Veleta

Al igual de la Velocidad del Viento, se realizó una comparación con el

anemocinemógrafo de la UNPRG y medidos con el equipo construido, coinciden

plenamente. Esto permite afirmar que la información que proporciona el modelo de veleta

digital construido es confiable.

7. Conclusiones

Se logro elaborar un Sistema de Medición de variables usando un

Microcontrolador portátil, utilizando sensores, el cual sirve para medir

temperatura, velocidad y dirección de viento.

Se logro diseñar y construir un Anemómetro utilizando sensores infrarrojos el

cual permitirá medir la velocidad, con un coeficiente de correlación de

0,99908798

Se logro diseñar una veleta utilizando sensores infrarrojos para medir la dirección

del viento, con una confiabilidad del 100% con respecto a los equipos comerciales

existentes para estaciones meteorológicas.

Se elaboró una interfaz gráfica utilizando Microsoft Visual Basic, para transferir

la información del Microcontrolador a una Base de Datos, por intermedio del

puerto serial RS232.

Se elaboro el Modelo Matemático completo para el sistema de adquisición de

datos.

Agradecimientos

Deseo expresar mi más profundo agradecimiento al equipo de profesores del Programa del

Nivel Técnico Operativo del Senati zonal Cajamarca Norteque han contribuido al desarrollo

del trabajo de Investigación.

Mi especial reconocimiento a mi amigo Luis Ángeles García por la generosidad y dedicación

en la transmisión de sus conocimientos y experiencias y, fundamentalmente por el apoyo y

aliento que me facilitó en todo momento.

Mi gratitud a todas las personas que han colaborado en la realización de este trabajo de

investigación, especialmente al jefe de personal del Grupo Aéreo N°6 de la ciudad de

Chiclayo por su apoyo en el permiso para hacer comparaciones con los equipos comerciales

de la estación meteorológica sin cuya colaboración y ayuda esta investigación no hubiera

sido posible.

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