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Facultad de Ingenieria
Carrera de Ingenieriacutea Electroacutenica
ldquoDISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DE UN
SISTEMA MONITOREO INALAMBRICO DE
BANCOS DE BATERIacuteAS UTILIZANDO EN
ARDUINO MEGA 2560rdquo
Autor Sauacutel Italo Vizcarra Cavero
Para obtener el Tiacutetulo Profesional de
Ingeniero Electroacutenico
Asesor Ing Gabriel Tirado
Lima ndash julio 2019
PROGRAMA ESPECIAL DE TITULACIOacuteN
II
11 DEDICATORIA
A la Virgen del Carmen quien estaacute siempre protegieacutendome mediante la sabiduriacutea
de madre quien estaacute siempre alentaacutendome y daacutendome las fuerzas necesarias
para poder salir adelante
III
12 AGRADECIMIENTO
Doy gracias a dios por bendecir mi sendero por guiarme a lo largo de mi
existencia ser el apoyo y darme la fortaleza en aquellos momentos de dificultad y
de debilidad
Gracias a mi madre Josefa Cavero Diacuteaz mis hermanos Faysuly y Antonio
Resquin quienes son los principales motores de mi suentildeos Agradezco a mis
asesores del curso de titulacioacuten y jurado de la prestigiosa UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA DEL PERU donde tuve la dicha de estudiar y ampliar maacutes mi
conocimiento para poder ahora presentar el fruto de este esfuerzo que es la
experiencia aprendida en todo este tiempo
IV
RESUMEN
En la necesidad de poder brindar un mejor desempentildeo en las centrales de
telecomunicaciones se realizoacute el disentildeo e implementacioacuten de un sistema de monitoreo
remoto para un banco de bateriacuteas como equipo de respaldo a los equipos de
comunicaciones de la central de comunicaciones de la torre de Entel
Debido a que el banco de bateriacuteas no cuenta un medidor de variables como voltaje
temperatura corriente y humedad relativa Es una parte importante del sistema de
respaldo de energiacutea de la central de comunicaciones se decidioacute implementar un sistema
de monitoreo remoto que permita medir los paraacutemetros de energiacutea y condiciones
climaacuteticas para mejorar la confiabilidad del sistema de respaldo de energiacutea
El informe cuenta con una investigacioacuten aplicada para el disentildeo del sistema de
monitoreo en el cual mediante estudios experimentales se implementoacute medidores y
sensores que no interfieren con el funcionamiento del banco de bateriacuteas y permiten tener
una informacioacuten en tiempo real mediante un Protocolo de Transmisioacuten TCPIP
Con la implementacioacuten del sistema se observoacute una mejora del indicador de confiabilidad
al sistema de respaldo de energiacutea de esta manera evitar caer en temas de caiacutedas de las
redes de comunicacioacuten de ENTEL y no recibir multas o penalidades por parte de Osiptel
V
13 INDICE GENERAL
DEDICATORIA II
AGRADECIMIENTO III
INDICE GENERAL V
INDICE DE FIGURAS VIII
INDICE DE TABLAS X
IacuteNDICE DE DIAGRAMAS XI
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 ASPECTOS GENERALES 2
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
112 Descripcioacuten del problema 2
113 Formulacioacuten del problema 8
12 Definicioacuten de Objetivos 8
124 Objetivo General 8
125 Objetivos Especiacuteficos 8
126 Alcances y limitaciones 9
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten 10
128 Estado del Arte 11
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEORICO 15
21 Fundamento Teoacuterico 15
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega) 15
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas 17
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display) 26
215 Plataforma Web Thing Speak 26
216 Sensor de Humedad SHT11 27
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11 30
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa 30
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715 31
2110 Teclado Matricial 4x4 34
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266 36
2112 Relay o Relevador 37
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)38
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DE LA SOLUCION 40
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas 40
VI
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros 47
322 Estudio Tecnoloacutegico 47
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema
de monitoreo en tiempo real 54
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico 55
343 Etapa de Control 55
344 Etapa Loacutegica 56
345 Etapa de Potencia 57
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas 57
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico 57
357 Disentildeo del PCB en Eagle 58
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado 58
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa 58
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 256058
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete58
36 Diagrama de ensamblado del proyecto 59
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto 60
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS 61
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC) 61
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 67
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO 67
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO 69
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas 70
312 Funcionamiento del Sistema 90
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta90
31314 Fuente de energiacutea DCAC 90
31315 Bateriacutea de Plomo acido 91
31316 Inversor de tensioacuten DCAC 92
31317 Diodo Rectificador IN6098 93
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico95
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 97
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea
basado en microcontrolador ATmega 2560 98
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
28 BIBLIOGRAFIacuteA
Allegro MicroSystems (2019) Informacion Tercnica Datasheff ACS715 Obtenido de
Sensor de corriente httpswwwallegromicrocom-
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
II
11 DEDICATORIA
A la Virgen del Carmen quien estaacute siempre protegieacutendome mediante la sabiduriacutea
de madre quien estaacute siempre alentaacutendome y daacutendome las fuerzas necesarias
para poder salir adelante
III
12 AGRADECIMIENTO
Doy gracias a dios por bendecir mi sendero por guiarme a lo largo de mi
existencia ser el apoyo y darme la fortaleza en aquellos momentos de dificultad y
de debilidad
Gracias a mi madre Josefa Cavero Diacuteaz mis hermanos Faysuly y Antonio
Resquin quienes son los principales motores de mi suentildeos Agradezco a mis
asesores del curso de titulacioacuten y jurado de la prestigiosa UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA DEL PERU donde tuve la dicha de estudiar y ampliar maacutes mi
conocimiento para poder ahora presentar el fruto de este esfuerzo que es la
experiencia aprendida en todo este tiempo
IV
RESUMEN
En la necesidad de poder brindar un mejor desempentildeo en las centrales de
telecomunicaciones se realizoacute el disentildeo e implementacioacuten de un sistema de monitoreo
remoto para un banco de bateriacuteas como equipo de respaldo a los equipos de
comunicaciones de la central de comunicaciones de la torre de Entel
Debido a que el banco de bateriacuteas no cuenta un medidor de variables como voltaje
temperatura corriente y humedad relativa Es una parte importante del sistema de
respaldo de energiacutea de la central de comunicaciones se decidioacute implementar un sistema
de monitoreo remoto que permita medir los paraacutemetros de energiacutea y condiciones
climaacuteticas para mejorar la confiabilidad del sistema de respaldo de energiacutea
El informe cuenta con una investigacioacuten aplicada para el disentildeo del sistema de
monitoreo en el cual mediante estudios experimentales se implementoacute medidores y
sensores que no interfieren con el funcionamiento del banco de bateriacuteas y permiten tener
una informacioacuten en tiempo real mediante un Protocolo de Transmisioacuten TCPIP
Con la implementacioacuten del sistema se observoacute una mejora del indicador de confiabilidad
al sistema de respaldo de energiacutea de esta manera evitar caer en temas de caiacutedas de las
redes de comunicacioacuten de ENTEL y no recibir multas o penalidades por parte de Osiptel
V
13 INDICE GENERAL
DEDICATORIA II
AGRADECIMIENTO III
INDICE GENERAL V
INDICE DE FIGURAS VIII
INDICE DE TABLAS X
IacuteNDICE DE DIAGRAMAS XI
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 ASPECTOS GENERALES 2
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
112 Descripcioacuten del problema 2
113 Formulacioacuten del problema 8
12 Definicioacuten de Objetivos 8
124 Objetivo General 8
125 Objetivos Especiacuteficos 8
126 Alcances y limitaciones 9
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten 10
128 Estado del Arte 11
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEORICO 15
21 Fundamento Teoacuterico 15
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega) 15
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas 17
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display) 26
215 Plataforma Web Thing Speak 26
216 Sensor de Humedad SHT11 27
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11 30
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa 30
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715 31
2110 Teclado Matricial 4x4 34
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266 36
2112 Relay o Relevador 37
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)38
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DE LA SOLUCION 40
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas 40
VI
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros 47
322 Estudio Tecnoloacutegico 47
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema
de monitoreo en tiempo real 54
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico 55
343 Etapa de Control 55
344 Etapa Loacutegica 56
345 Etapa de Potencia 57
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas 57
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico 57
357 Disentildeo del PCB en Eagle 58
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado 58
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa 58
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 256058
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete58
36 Diagrama de ensamblado del proyecto 59
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto 60
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS 61
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC) 61
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 67
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO 67
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO 69
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas 70
312 Funcionamiento del Sistema 90
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta90
31314 Fuente de energiacutea DCAC 90
31315 Bateriacutea de Plomo acido 91
31316 Inversor de tensioacuten DCAC 92
31317 Diodo Rectificador IN6098 93
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico95
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 97
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea
basado en microcontrolador ATmega 2560 98
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
III
12 AGRADECIMIENTO
Doy gracias a dios por bendecir mi sendero por guiarme a lo largo de mi
existencia ser el apoyo y darme la fortaleza en aquellos momentos de dificultad y
de debilidad
Gracias a mi madre Josefa Cavero Diacuteaz mis hermanos Faysuly y Antonio
Resquin quienes son los principales motores de mi suentildeos Agradezco a mis
asesores del curso de titulacioacuten y jurado de la prestigiosa UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA DEL PERU donde tuve la dicha de estudiar y ampliar maacutes mi
conocimiento para poder ahora presentar el fruto de este esfuerzo que es la
experiencia aprendida en todo este tiempo
IV
RESUMEN
En la necesidad de poder brindar un mejor desempentildeo en las centrales de
telecomunicaciones se realizoacute el disentildeo e implementacioacuten de un sistema de monitoreo
remoto para un banco de bateriacuteas como equipo de respaldo a los equipos de
comunicaciones de la central de comunicaciones de la torre de Entel
Debido a que el banco de bateriacuteas no cuenta un medidor de variables como voltaje
temperatura corriente y humedad relativa Es una parte importante del sistema de
respaldo de energiacutea de la central de comunicaciones se decidioacute implementar un sistema
de monitoreo remoto que permita medir los paraacutemetros de energiacutea y condiciones
climaacuteticas para mejorar la confiabilidad del sistema de respaldo de energiacutea
El informe cuenta con una investigacioacuten aplicada para el disentildeo del sistema de
monitoreo en el cual mediante estudios experimentales se implementoacute medidores y
sensores que no interfieren con el funcionamiento del banco de bateriacuteas y permiten tener
una informacioacuten en tiempo real mediante un Protocolo de Transmisioacuten TCPIP
Con la implementacioacuten del sistema se observoacute una mejora del indicador de confiabilidad
al sistema de respaldo de energiacutea de esta manera evitar caer en temas de caiacutedas de las
redes de comunicacioacuten de ENTEL y no recibir multas o penalidades por parte de Osiptel
V
13 INDICE GENERAL
DEDICATORIA II
AGRADECIMIENTO III
INDICE GENERAL V
INDICE DE FIGURAS VIII
INDICE DE TABLAS X
IacuteNDICE DE DIAGRAMAS XI
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 ASPECTOS GENERALES 2
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
112 Descripcioacuten del problema 2
113 Formulacioacuten del problema 8
12 Definicioacuten de Objetivos 8
124 Objetivo General 8
125 Objetivos Especiacuteficos 8
126 Alcances y limitaciones 9
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten 10
128 Estado del Arte 11
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEORICO 15
21 Fundamento Teoacuterico 15
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega) 15
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas 17
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display) 26
215 Plataforma Web Thing Speak 26
216 Sensor de Humedad SHT11 27
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11 30
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa 30
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715 31
2110 Teclado Matricial 4x4 34
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266 36
2112 Relay o Relevador 37
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)38
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DE LA SOLUCION 40
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas 40
VI
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros 47
322 Estudio Tecnoloacutegico 47
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema
de monitoreo en tiempo real 54
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico 55
343 Etapa de Control 55
344 Etapa Loacutegica 56
345 Etapa de Potencia 57
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas 57
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico 57
357 Disentildeo del PCB en Eagle 58
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado 58
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa 58
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 256058
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete58
36 Diagrama de ensamblado del proyecto 59
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto 60
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS 61
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC) 61
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 67
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO 67
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO 69
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas 70
312 Funcionamiento del Sistema 90
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta90
31314 Fuente de energiacutea DCAC 90
31315 Bateriacutea de Plomo acido 91
31316 Inversor de tensioacuten DCAC 92
31317 Diodo Rectificador IN6098 93
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico95
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 97
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea
basado en microcontrolador ATmega 2560 98
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
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1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
IV
RESUMEN
En la necesidad de poder brindar un mejor desempentildeo en las centrales de
telecomunicaciones se realizoacute el disentildeo e implementacioacuten de un sistema de monitoreo
remoto para un banco de bateriacuteas como equipo de respaldo a los equipos de
comunicaciones de la central de comunicaciones de la torre de Entel
Debido a que el banco de bateriacuteas no cuenta un medidor de variables como voltaje
temperatura corriente y humedad relativa Es una parte importante del sistema de
respaldo de energiacutea de la central de comunicaciones se decidioacute implementar un sistema
de monitoreo remoto que permita medir los paraacutemetros de energiacutea y condiciones
climaacuteticas para mejorar la confiabilidad del sistema de respaldo de energiacutea
El informe cuenta con una investigacioacuten aplicada para el disentildeo del sistema de
monitoreo en el cual mediante estudios experimentales se implementoacute medidores y
sensores que no interfieren con el funcionamiento del banco de bateriacuteas y permiten tener
una informacioacuten en tiempo real mediante un Protocolo de Transmisioacuten TCPIP
Con la implementacioacuten del sistema se observoacute una mejora del indicador de confiabilidad
al sistema de respaldo de energiacutea de esta manera evitar caer en temas de caiacutedas de las
redes de comunicacioacuten de ENTEL y no recibir multas o penalidades por parte de Osiptel
V
13 INDICE GENERAL
DEDICATORIA II
AGRADECIMIENTO III
INDICE GENERAL V
INDICE DE FIGURAS VIII
INDICE DE TABLAS X
IacuteNDICE DE DIAGRAMAS XI
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 ASPECTOS GENERALES 2
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
112 Descripcioacuten del problema 2
113 Formulacioacuten del problema 8
12 Definicioacuten de Objetivos 8
124 Objetivo General 8
125 Objetivos Especiacuteficos 8
126 Alcances y limitaciones 9
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten 10
128 Estado del Arte 11
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEORICO 15
21 Fundamento Teoacuterico 15
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega) 15
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas 17
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display) 26
215 Plataforma Web Thing Speak 26
216 Sensor de Humedad SHT11 27
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11 30
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa 30
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715 31
2110 Teclado Matricial 4x4 34
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266 36
2112 Relay o Relevador 37
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)38
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DE LA SOLUCION 40
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas 40
VI
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros 47
322 Estudio Tecnoloacutegico 47
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema
de monitoreo en tiempo real 54
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico 55
343 Etapa de Control 55
344 Etapa Loacutegica 56
345 Etapa de Potencia 57
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas 57
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico 57
357 Disentildeo del PCB en Eagle 58
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado 58
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa 58
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 256058
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete58
36 Diagrama de ensamblado del proyecto 59
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto 60
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS 61
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC) 61
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 67
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO 67
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO 69
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas 70
312 Funcionamiento del Sistema 90
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta90
31314 Fuente de energiacutea DCAC 90
31315 Bateriacutea de Plomo acido 91
31316 Inversor de tensioacuten DCAC 92
31317 Diodo Rectificador IN6098 93
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico95
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 97
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea
basado en microcontrolador ATmega 2560 98
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
V
13 INDICE GENERAL
DEDICATORIA II
AGRADECIMIENTO III
INDICE GENERAL V
INDICE DE FIGURAS VIII
INDICE DE TABLAS X
IacuteNDICE DE DIAGRAMAS XI
INTRODUCCIOacuteN 1
CAPIacuteTULO 1 ASPECTOS GENERALES 2
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
112 Descripcioacuten del problema 2
113 Formulacioacuten del problema 8
12 Definicioacuten de Objetivos 8
124 Objetivo General 8
125 Objetivos Especiacuteficos 8
126 Alcances y limitaciones 9
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten 10
128 Estado del Arte 11
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEORICO 15
21 Fundamento Teoacuterico 15
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega) 15
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas 17
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display) 26
215 Plataforma Web Thing Speak 26
216 Sensor de Humedad SHT11 27
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11 30
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa 30
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715 31
2110 Teclado Matricial 4x4 34
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266 36
2112 Relay o Relevador 37
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)38
CAPIacuteTULO 3 DESARROLLO DE LA SOLUCION 40
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas 40
VI
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros 47
322 Estudio Tecnoloacutegico 47
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema
de monitoreo en tiempo real 54
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico 55
343 Etapa de Control 55
344 Etapa Loacutegica 56
345 Etapa de Potencia 57
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas 57
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico 57
357 Disentildeo del PCB en Eagle 58
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado 58
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa 58
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 256058
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete58
36 Diagrama de ensamblado del proyecto 59
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto 60
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS 61
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC) 61
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 67
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO 67
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO 69
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas 70
312 Funcionamiento del Sistema 90
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta90
31314 Fuente de energiacutea DCAC 90
31315 Bateriacutea de Plomo acido 91
31316 Inversor de tensioacuten DCAC 92
31317 Diodo Rectificador IN6098 93
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico95
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 97
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea
basado en microcontrolador ATmega 2560 98
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
VI
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros 47
322 Estudio Tecnoloacutegico 47
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema
de monitoreo en tiempo real 54
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico 55
343 Etapa de Control 55
344 Etapa Loacutegica 56
345 Etapa de Potencia 57
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas 57
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico 57
357 Disentildeo del PCB en Eagle 58
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado 58
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa 58
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 256058
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete58
36 Diagrama de ensamblado del proyecto 59
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto 60
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS 61
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC) 61
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 67
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO 67
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO 69
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas 70
312 Funcionamiento del Sistema 90
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta90
31314 Fuente de energiacutea DCAC 90
31315 Bateriacutea de Plomo acido 91
31316 Inversor de tensioacuten DCAC 92
31317 Diodo Rectificador IN6098 93
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico95
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 97
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea
basado en microcontrolador ATmega 2560 98
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
VII
CAPIacuteTULO 4 RESULTADOS 102
Resultados Generales 102
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto 102
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios 102
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto 109
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto 110
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias 111
CONCLUCIONES 112
BIBLIOGRAFIacuteA 113
ANEXOS 116
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
VIII
14 INDICE DE FIGURAS
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular 2
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea 3
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los
bornes Celdas rajadas D postes rotos 4
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las
celdas 5
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado 6
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea 6
Figura 7 Aacuterbol de Problemas 7
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 16
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea 17
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo 17
Figura 11Partes de una pila de Alcalina 20
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido 20
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas 22
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio 22
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio 23
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno 24
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 26
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas 27
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 28
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 29
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715 31
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 32
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x435
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines 36
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b)
Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas 38
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dchelliphelliphelliphellip38
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad 42
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistemahelliphelliphelliphelliphellip56
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico 57
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa 61
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 62
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c)
Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio 63
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza 63
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas 64
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros 64
Figura 36 Placa para proceso de montaje 65
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa 65
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten 66
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento66
Figura 40 Integracioacuten del prototipo 67
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica 68
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete 68
Figura 43 Pruebas preliminares 69
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
IX
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 256070
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable 90
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah 92
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt93
Figura 48Diodo rectificador IN6098 94
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea 97
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 98
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC 98
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 98
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea 99
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema 99
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22 99
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas 103
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten
Fluke (Operatividad de la bateriacutea) 103
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten
Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) 104
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 105
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la
plataforma Thing Speak 105
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos
de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) 107
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con
los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) 108
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten 108
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
X
15 INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias 19
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual 25
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad 30
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura 31
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA 33
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad 49
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc 51
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente 52
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC 54
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 94
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac 102
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la
carga de Ventilador de 45w 220Vac 104
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220
Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) 106
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie
de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) 107
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bateriacutea 109
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la
fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas 110
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias 111
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
XI
16 IacuteNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes 14
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 32
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT2248
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 71251
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ043053
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas (Etapa de control) 56
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del modulo de
monitoreo de bancos de baterias 59
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de
monitoreo de bancos de bateriacutea60
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea 89
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada 91
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo
de Bancos de bateriacuteas 95
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos
de bateriacuteas 96
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas 100
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
1
17 INTRODUCCIOacuteN
El informe describe un proyecto de mejora de confiabilidad en el sistema de respaldo de
energiacutea para la empresa CIME COMERCIAL quien brinda servicio de supervisioacuten a la
empresa de telecomunicaciones ENTEL PERU en su estacioacuten de central de
comunicaciones o MSO (Operador de Sistemas Muacuteltiples) Miraflores
La empresa CIME se encarga de la supervisioacuten de equipos de energiacutea en la planta Entel
como rectificadores inversores banco de bateriacuteas grupo electroacutegeno aire
acondicionado entre otros los cuales son monitoreados por un residente los 365 diacuteas del
antildeo las 24 horas del diacutea mediante la plataforma Thing Speak
Los bancos de bateriacuteas brindan respaldo de energiacutea para los equipos de comunicaciones
de la empresa ENTEL que no cuenta con un medidor remoto del estado de las bateriacuteas
por lo que las mediciones se hacen de forma presencial y continuacutea por intervalos de 2
horas Por tal motivo se disentildea e implementa un sistema de monitoreo remoto con el
microcontrolador ATMEGA 2560 que mediante un moacutedulo de comunicacioacuten Wifi
ESP8266 para enlazarlo a la plataforma Thing Speak el cual nos ayudaraacute a enviar la
informacioacuten de los paraacutemetros medidos
El sistema mediraacute los valores de voltaje corriente temperatura humedad relativa horas
de trabajo on-line y nivel de carga del banco de bateriacuteas el cual deacute se implementoacute
sensores que brindan la informacioacuten al microcontrolador ATMEGA 2560 que enviaraacute los
datos por medio de su moacutedulo Wifi hacia la plataforma de Thing Speak
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
2
18 CAPIacuteTULO 1
ASPECTOS GENERALES
11 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
112 Descripcioacuten del problema
En la empresa de telecomunicaciones Entel Peruacute a nivel nacional cuenta con estaciones
bases celulares (EBC) alimentadas a modo respaldo con bancos de bateriacuteas que
funcionan ante cualquier corte de energiacutea comercial constituyendo como modo de
respaldo de energiacutea para los servicios que brindan en su planta Estos bancos de
bateriacuteas se encuentran dentro de unos gabinetes llamados Outdoor en donde se pueden
encontrar entre 2 a 4 bancos de bateriacuteas formado por 4 celdas de 12 Voltios cada una y
que dan una suma de 48 Voltios Dc (Figura 1) como tambieacuten constituido por 24 celdas
de 21 Voltios lo que da una suma de 504 Voltios (Figura 2) Con un arreglos de bateriacuteas
en serie y luego conectadas en paralelo y deben ser capaces de garantizar la no
interrupcioacuten del servicio por un tiempo miacutenimo (autonomiacutea) cuando se presente un corte
de improviso de la red comercial
Figura 1Banco de bateriacutea de una estacioacuten base celular (Referencia Fotograacutefica propia Ameacuterica Moacutevil (Claro) - Site
Luriacuten -2015)
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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29
116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
3
Las causas del problema central son las siguientes
Por la falta de un monitoreo constante de los bancos de bateriacutea cuando se presenta un
corte de energiacutea imprevisto no sabemos cuaacutel es su comportamiento en tiempo real de su
estado fiacutesico y eleacutectrico como elemento de respaldo de emergencia en las estaciones
bases celulares que se encuentran alejadas a veces del aacuterea metropolitana de lima y de
a veces de difiacutecil acceso
Por una falta inadecuada en el estado fiacutesico de las bateriacuteas por no tener un
mantenimiento preventivo se puede encontrar los bancos de bateriacuteas con diversas
condiciones celdas rajadas en parte de la estructura superior e inferior los postes
levantados de los bornes (Figura 3)
Figura 2Bancos de bateriacutea de una Centra de Telefoniacutea (Referencia Fotograacutefica propia -Telefoacutenica del Peruacute-URA Saguitario-2012)
4
Lo que ocasiona un corte de energiacutea y da como resultado una caiacuteda del servicio en las
telecomunicaciones de la red celular Cabe recordar que las empresa que brindan
servicios de telefoniacutea fija y moacutevil en nuestro paiacutes son reguladas por OSIPTEL
(Organismo Supervisor de Inversioacuten Privada en Telecomunicaciones) un organismo
teacutecnico especializado del Estado Peruano que regula y supervisa el mercado de servicios
puacuteblicos de telecomunicaciones y vela por los derechos del usuario
Figura 3Condiciones fiacutesicas de las bateriacuteas A Bornes levantados Sulfataciones en los bornes Celdas rajadas D postes rotos (Referencia fotograacutefica propia-Telefoacutenica del
Peruacute- Central Lince-2012)
A
D C
B
5
Los efectos de que ocasionan este problema
El problema consiste en que no existen sistemas alternativos de sistemas de monitoreo
inalaacutembrico de Bancos de Bateriacutea en las estaciones Bases Celular donde se puedan
monitorear los paraacutemetros de Temperatura voltaje corriente y Humedad con la finalidad
de reducir los altos costos por reemplazos de bateriacutea y penalidades para la empresa que
brindad los servicios de comunicaciones
Para esto se genera un planeamiento de mantenimiento preventivo a fin de poder
aumenta la vida uacutetil de las bateriacuteas Para poder tener una buena optimizacioacuten y
salvaguardar el servicio se debe de considerar que tenga una buena temperatura
alrededor de los 23degC humedad relativa 45 y un voltaje de Flotacioacuten constante
Figura 4Manteniento de bancos de bateriacutea y toma de lecturas de carga y tensioacuten de las celdas (Reporte fotograacutefico propio- Ameacuterica
Moacutevil-Site Carabedo-2015)
6
Cuando se genera una interrupcioacuten en el servicio tienen una sancioacuten de S 210000 (50
UIT) por no comunicar a sus abonados la interrupcioacuten de los servicios de telefoniacutea moacutevil
por trabajos de mantenimiento o mejoras tecnoloacutegicas hecho tipificado en las normas de
Condiciones de uso como una infraccioacuten leve al presentarse fallas en servicio por mal
estado de los Bancos de bateriacutea
Tenemos como un ejemplo la interrupciones del servicio de telefoniacutea moacutevil que afectoacute a
475087 abonados entre abril y junio del antildeo 2017 y que no fueron advertidos de la
interrupcioacuten con dos diacuteas de anticipacioacuten tal cual lo exige el artiacuteculo 48 del Texto Uacutenico
Ordenado de las Condiciones de Uso de los Servicios Puacuteblicos de Telecomunicaciones
Figura 5Sensor de alarma de fuego y humo en mal estado (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site
Montenegro-2015)
Figura 6Roturas de la celda del banco de bateriacutea (Reporte fotograacutefico- Ameacuterica Moacutevil-Site Sol de
Lurigancho-2015)
7
El objetivo de esta implementacioacuten es garantizar la operatividad y el correcto
funcionamiento de los BB y evitar sanciones administrativas por el gobierno
Figura 7 Aacuterbol de Problemas
Fuente Elaboracioacuten propia
8
113 Formulacioacuten del problema
Problema general
iquestDe queacute manera se puede monitorear los paraacutemetros de los bancos de bateriacutea en las
EBC (estaciones bases celulares) para evitar peacuterdidas de servicio
Problema especiacutefico
iquestCuaacuteles son los paraacutemetros de involucrados en el proceso de medicioacuten de la eficiencia
de los bancos de bateriacutea de las EBC
iquestCoacutemo demostrar las ventajas y desventajas del sistema
iquestCuaacuteles son las etapas del sistema de monitoreo inalaacutembrico
iquestCoacutemo monitorear de forma inalaacutembrica los paraacutemetros del sistema
12 Definicioacuten de Objetivos
124 Objetivo General
Disentildear e implementar un sistema de monitoreo inalaacutembrico de bancos de bateriacuteas
basado Arduino mega 2560
125 Objetivos Especiacuteficos
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
9
126 Alcances y limitaciones
1261 Limitaciones Espaciales
El desarrollo de la implementacioacuten del sistema de monitoreo remoto comprende el
espacio geograacutefico ocupado por la sede principal de la empresa Entel ubicado en Av Del
Ejercito 279-Miraflores
La implementacioacuten se realizoacute en la sala de bateriacuteas 1 ubicado dentro de la sala de
Equipos de la central de telecomunicaciones de Entel Peruacute
1262 Limitaciones temporales
El desarrollo del proyecto es del tipo transversal Su ejecucioacuten inicio el 6 de Abril del
2017 y fue culminado el 20 de Diciembre del 2017
Por cuestiones de tiempo no se consideraron las siguientes variables de estudio
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
1263 Limitaciones Teoacutericas
A continuacioacuten se muestra el listado de las teoriacuteas cientiacuteficas necesarias que se aplicaron
para la implementacioacuten
- Electroacutenica digital
- Conversioacuten de sentildeales analoacutegicas a digitales
- Los microcontroladores
- Sensores
10
1264 Alcance social
Sector Privado Se contoacute con el apoyo de la empresa CIME quienes brindaron las
facilidades para proponer disentildear y monitorear el banco de bateriacuteas instalado por donde
se implementoacute y desarrollaron las pruebas
127 Justificacioacuten de la investigacioacuten
1271 Naturaleza
La condicioacuten del proyecto de investigacioacuten es la electroacutenica digital Que justifica mi
investigacioacuten por ser un tema que empieza a desarrollarse en el paiacutes en las mejoras de
confiabilidad de los sistemas de respaldo de energiacutea a centrales de comunicaciones y
otros
1272 Magnitud
El proyecto de investigacioacuten estaacute orientado a ser aplicado en aacutereas de
telecomunicaciones salud educacioacuten entre otros que cuenten con sistema de respaldo
de energiacutea
Se justifica mi investigacioacuten por su magnitud por el aacuterea donde se puede implementar lo
que permite ser utilizado por una gran cantidad de usuarios
1273 Vulnerabilidad
El proyecto de investigacioacuten no desarrollara los siguientes temas
- Medicioacuten de sulfatacioacuten de bateriacuteas
- Medicioacuten de paraacutemetros por cada celda bateriacutea
- Control de encendido y apagado automaacutetico de banco de bateriacuteas
- Panel visualizador de estado de bateriacuteas
11
Se justifica mi investigacioacuten por su vulnerabilidad del porque puede ser revisado y
mejorado o investigar los temas no desarrollados que se han puesto en manifiesto
1274 Economiacutea
La investigacioacuten tendraacute una repercusioacuten en la economiacutea de los usuarios porque asiacute
podraacuten evitar ser multados o en el peor de los casos pagar penalidades por fallas del
sistema de respaldo de energiacutea
Este proyecto se justifica por su economiacutea porque aporta ventajas econoacutemicas a largo
plazo para los usuarios por el uso de un sistema de monitoreo de bajo costo
128 Estado del Arte
Seguidamente se describen las uacuteltimas investigaciones relacionadas con el proyecto de
investigacioacuten
Mayas Aacutelvaro 2017 en su tesis ldquoDisentildeo e Implementacioacuten de Dispositivos IoT para la
Monitorizacioacuten del Consumo Energeacutetico en Entornos Domeacutesticosrdquo explica la incorporacioacuten
de soluciones IoT para entornos domeacutesticos Tras un estudio del mercado actual se ha
detectado una carencia en la monitorizacioacuten del consumo energeacutetico debida a la
inexistencia de dispositivos de bajo coste que sean capaces de medir las principales
fuentes de suministro energeacutetico en entornos domeacutesticos Por este motivo el objetivo
principal del proyecto fue llevar a cabo el disentildeo e implementacioacuten de un dispositivo
capaz de monitorizar el consumo energeacutetico en este tipo de entornos Para ello utilizoacute
una serie de sensores encargados de obtener la informacioacuten necesaria (como vatiosmin
litrosmin dm3min etceacutetera) y un microcontrolador para posteriormente gestionar y
procesar los datos en una plataforma web para IOT (Internet de las cosas) Para cumplir
estos objetivos la solucioacuten realizada se ha basado en el microcontrolador ESP8266 de
muy bajo coste y con conectividad Wi-Fi Se ha utilizado la plataforma Thing Speak que
permite el procesado y visualizacioacuten de los datos
12
Fuente Plan de gestioacuten y monitoreo Heldesk- Ameacuterica Moacutevil (Claro) Empresa
Tecnocom diciembre (2015) En el monitoreo del grupo electroacutegeno es controlado viacutea
Ethernet por el centro de gestioacuten (Heldesk) se pudo verificar que el equipo contaba con
alarma de nivel de aceite y se procedioacute luego con el mantenimiento correctivo en el Site
Cerro Camacho (Ameacuterica Moacutevil) se efectuoacute con el desmontaje total del motor diesel
donde se tuvo las consideraciones de optimizar el equipo mediante el cambio de los
filtros (aceite petroacuteleo y Aire) A su vez el cambio de aceite del motor y refrigerante Para
la parte eleacutectrica del equipo se verificoacute su nivel de aislamiento eleacutectrico del generador
tanto en la Rotor y Estator principal Tuvo que considerar la Excitatriz y Rotor de la
Excitatriz Lo que ocasiona que disminuya el nivel de produccioacuten de dioacutexido de carbono a
un 40 y fugas de liacutequidos toacutexicos al 60 Evitando la contaminacioacuten ambiental y del
ecosistema
Fuente Informe de Servicio de averiacutea - Centro de monitoreo y control Heldek-
America Moacutevil- Sede Villa Salvador-TelepuertoClaro (2014) El cambio de 2 de
equipos de Aire Acondicionado de la marca York de 75 Tr (toneladas de refrigeracioacuten)
que manifiesta un consumo de 28 Amperio con un tiempo de vida de maacutes de 15 Antildeos
trabajando presentan una serie de alarmas consecutivas al centro de gestioacuten y monitoreo
de Claro (Heldesk) Los equipos presentan un desgaste mecaacutenico a la vez una peacuterdida
de transferencia de calor en los serpentines y a su vez tienen un de consumo mayor del
46 de la energiacutea contratada Se efectuoacute un estudio del rendimiento energeacutetico
realizaacutendose el cambio de los equipos defectuosos por otros 2 de la marca Lennox de 15
Tr por una empresa colaboradora de Claro Teniendo un consumo de energiacutea El sistema
cuenta con SSR (relay de estado soacutelidos) y variadores Inverter de potencia
13
Teniendo como efecto un Ahorro del 30 de la energiacutea contratada Cabe mencionar que
planta de Claro de Villa Salvador Villa 1 cuenta con un cuadro de energiacutea de 200 KW
(Eltek) y Villa 2 con 2 cuadros de energiacutea de 96 KW (Eltek) y tambieacuten un cuadro de
energiacutea de 27 KW Delta electronic todos estos equipos cuentan con un moacutedulo de
gestioacuten llamado Smart Pack que es el encargado de monitorear los paraacutemetros
principales de los equipos
Autor Lucio Fabiaacuten chale Procedimientos de gestioacuten y monitoreo de equipos de
Energiacutea Emerson Network power Paiacutes Peruacute Antildeo 2015 En la realizacioacuten de los
trabajos de mantenimiento en Telefoacutenica del Peruacute por parte de la Empresa Emerson
Network Power Se hace uso de un equipo lector de Coacutedigo de Barras de la marca
Motorola modelo Symbol por el podemos registrar y efectuar una codificacioacuten completa
del equipo mencionando la marca modelo serie capacidad y lugar instalado Esto los
datos son enviados viacutea GPRS a un servidor online que se encuentra en la empresa Lo
que hace una tendencia maacutes dinaacutemica en liacutenea con las nuevas teacutecnicas de
Mantenimiento y monitoreo en la actualidad
Fuente Gerencia en la Administracioacuten del Mantenimiento Hospitalario Paiacutes
Ecuador Antildeo 2016 Toda esta informacioacuten es almacenada y organizada en un sistema
central (servidor central) este cuenta con una conexioacuten a internet que el medico puede
acceder A su vez saber el estado de cada paciente y poder efectuar una historia cliacutenica
configurar un horario de muestras suministro de oxiacutegeno consultas por medio de tablas
y graficas los datos de monitoreo que estaacuten ubicados en diferentes habitaciones
Mediante el uso de este sistema de Telemonitoreo para pacientes se obtiene un mejor
control de los procesos funcionales de cada uno de ellos y a su vez la disminucioacuten de los
tiempos de consultas al meacutedico teniendo que el especialista vea en tiempo real el estado
de cada paciente Como se puede mostrar en la figura 2
14
Diagrama 1Diagrama de Bloques del Sistema de Telemonitoreo para Pacientes (Referencia Tesis- ingenieriacutea de Sistema ndashEscuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo- Paiacutes Ecuador Antildeo
2016)
15
19
20 CAPIacuteTULO 2
21 MARCO TEOacuteRICO
En el marco teoacuterico se explica los concepto acerca de la funcionalidad de los sistemas de
monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en microcontrolador Atmega 2560 utilizando
internet de las cosas y sus diferentes componentes que los integran
21 Fundamento Teoacuterico
212 Microcontrolador Atmega 2560 (Modulo Arduino Mega)
El moacutedulo Arduino basado en el microcontrolador Atmega 2560 dispone de 54 pines
digitales de entradasalida a su vez dispone de 14 pines como salidas PWM 16 pines
de entradas analoacutegicas y 4 pines UART (Transmisor-Receptor Asiacutencrono Universal)
Dispone de un oscilador de 16MHz y una conexioacuten USB un conector de alimentacioacuten un
conector ICSP y un botoacuten de reset
La velocidad del microcontrolador estaacute respaldado por un Cristal de 16 MHz y una
memoria Flash de 256K utiliza un rango de voltaje de entrada de entre 7 y 12 voltios se
recomienda una tensioacuten de entrada no mayor de 12 Voltios
La comunicacioacuten entre la tarjeta Arduino y la computadora se enlaza mediante un puerto
serial este con un convertidor interno USB-SERIE el cual no es necesario agregar
ninguacuten dispositivo externo para programar el microcontrolador
Especificaciones Arduino mega 2560
Microcontrolador ATmega2560
Voltaje Operativo 5V
Tensioacuten de Entrada 7-12V
16
Voltaje de Entrada(liacutemites) 6-20V
Pines digitales de EntradaSalida 54 (14 salida PWM)
Pines anaacutelogos de entrada 16
Corriente DC por cada Pin EntradaSalida 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 33V 50 mA
Memoria Flash 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16 MHz
Figura 8 Distribucioacuten de pines del Moacutedulo Arduino MEGA 2560 (Fuente
httpwwwinformaticahaba (Compantildeia ISweek 2017)nacu)
17
213 Acumuladores de energiacutea o bateriacuteas
Son fuente de energiacutea constituida por ceacutelulas electroquiacutemicas que mediante una reacion
quiacutemica genera un flujo de electrones entre sus terminales o postes de conexioacuten Esta
energiacutea quiacutemica almacenada en corriente eleacutectrica se puede aplicar en diferentes
equipos electroacutenicos Cada celula se compone de un electrodo positivo (anado) o
negativo (caacutetodo) y el electrolito Por medio de una reaccioacuten quiacutemica se genera un
desplazamiento de los iones del caacutetodo al anado permitiendo que la corriente fluya
fuera de la bateriacutea el cual suministrara de energiacutea eleacutectrica en DC al sistema o circuito
eleacutectrico que se encuentra alimentado
Los acumuladores de energia miden su rendimiento de respaldo a una carga electrica
mediante los amperios-hora (Ah) que se expresa la proporcion de corriente electrica de 1
Amperio durante 1 Hora mientra mayor sea su capacidad de carga mas corriente podra
acumular en su interior
Figura 9 Funcionamiento de baacutesico de una Bateriacutea (Pila de Daniell-1836)
Figura 10Conexioacuten de celdas de bateriacutea Serie-Paralelo (Referencia httpswwwsolarwebnet)
18
2131 Funcionamiento de las bateriacuteas
El funcionamiento de un acumulador de energiacutea se basa en la reaccioacuten quiacutemica llamada
de oxidacioacuten ndash reduccioacuten llamada redox que se genera en ciertas sustancias quiacutemicas
una de las cuales pierde electrones (se oxida) mientras la otra gana (se reduce) (John
William Hill octava edicion 1999)
Dadas las aplicaciones de los acumuladores de enegia estos pueden ceder de corriente
directa (DC) en modo de descarga y cargase de energiacutea por medio de un cargador o
rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de veces seguacuten sea el tipo de
bateriacutea Estas baterias estaacuten formadas por celdas basadas en un elemento metalico
como un electrodo positivo (aacutenado) y otro negativo (catado) conjuntamente con un
elemento liquidos o gel dependiendo los requerimientos de cada fabricante llamado
electrolito Mediante este proceso electroquiacutemico convierten la energiacutea quiacutemica en
energiacutea eleacutectrica mediante un proceso irreversible o reversible existen dos tipos de
ceacutelulas en los acumuladores de energiacutea
Acumuladores de Primer Nivel Son aquellas celdas que solo pueden generar energiacutea
eleacutectrica (Dc) en una sola reaccioacuten quiacutemica sin poder regenerarse nuevamente
Habitualmente son llamadas pilas secas por este tipo de proceso electroquiacutemico1
Acumuladores de Segundo Nivel Se pueden cargar de energiacutea eleacutectrica (Dc) por
medio de un cargador o rectificador de potencia para poder regenerarse el numero de
veces seguacuten sea el tipo de bateriacutea y pudiendo ser utilizadas nuevamente en aplicaciones
eleacutectricas o electroacutenicas
1 Fink Ch 11 Sec Batteries and Fuel Cells
19
Tabla 1 Diferencia de bateriacuteas Primarias y secundarias (referencia httpswwwliceoagbes)
2132 Aplicaciones de las bateriacuteas
Las aplicaciones de las bateriacuteas son diversas
En arranques de Autos camiones Barcos Sub-marinos y aviones
En centrales de energiacutea Solar
En centrales de telecomunicaciones
En estaciones bases celulares (EBC) y Micro celdas
En aplicaciones militares (Sistema de radiocomunicaciones y Radares)
En sistemas interrumpidos de energiacutea (UPS)
En maacutequinas eleacutectricas Inalaacutembricas
En equipos electroacutenicos (drones celulares laptop relojeriacutea caacutemara Fotograacuteficas
Etc)
En la fabricacioacuten de autos eleacutectricos
2133 Tipo de bateriacuteas (Sparkfun 2017)
Bateriacuteas de Alcalinas Son bateriacuteas desechables que utilizan como electrodos
anodo (zinc) catado (dioacutexido de magnesio) y para producir la reaccioacuten quiacutemica
utilizan como electrolito el hidroacutexido de potasio que en combinacioacuten con estos
elementos producen una circulacioacuten de corriente (DC) Estas bateriacuteas son
sumamente estables pero con tiempo de funcionalidad corta (Fink 1981)
20
Bateriacuteas de aacutecido-plomo Son acumuladores de energiacutea que pueden ser
recargados por cargadores de baterias o fuentes de suministro eleacutectrico (Dc) Los
cuales estaacuten constituidos por dos electrodos de plomo Durante su proceso de
carga sufren la degradacioacuten del sulfato de plomo que estaacute en su interior
originando la reduncion y transformacioacuten en el plomo metal electrodo Positivo
(aacutenodo) en comparacioacuten con electrodo negativo (caacutetodo) dando como resultado
la formaacutecion de oacutexido de plomo Este proceso quimico se invierte durante su
estado de descarga Sus aplicaciones son muy usadas comunmente en vehiacuteculos
livianos y pesados de combustioacuten interna grupos electroacutegenos y motocicletas
para el suministro de energiacutea en sus sistemas eleacutectricos
Figura 12Partes de una Bateriacutea de Plomo-Acido (Referencia httpwwwaficionadosalamecanicanetimagescurelecbateria_compgif)
Figura 11Partes de una pila de Alcalina (Referencia
httpabelvilblogspotcom)
21
Bateriacutea Niacutequel ndash Hierro (NI-FE) Son Acumuladores de energiacutea de fabricacioacuten
econoacutemica que consiste en tubos finos enrollados por laacuteminas de acero
niquelado que forma la estructura de bateriacuteas En el interior de los tubos se utiliza
hidroacutexido de niacutequel y como electroacutelito una mezcla de hidroacutexido de potasio en
agua destilada Estas bateriacuteas podiacutean cargar y descargar perfectamente sin
presentarse el efecto memoria el cual estaacuten formadas por cristales de hierro
Estas bateriacuteas fueron inventadas y patentadas por Waldemar Jungner (1899) y
desarrolladas por Thomas Edison a principios del siglo XX
Bateriacutea Niacutequel ndash Cadmio (NI-CD) Estaacuten constituidas por el aacutenodo de cadmio y el
caacutetodo de hidroacutexido de niacutequel el hidroacutexido de potasio como electrolito Las bateriacutea
de niacutequel cadmio son perfectamente recargables Pero desfavorable en su baja
densidad energeacutetica de 50Whkg estas bateriacutea tienen la particularidad de padecer
de efecto memoria pero asu vez son capaces de soportan un amplio rango de
temperaturas teniendo un excelente rendimiento
Bateriacutea Niacutequel ndash Hidruro (NI-MH) Utiliza como aacutenodo el hidroacutexido de niacutequel
mientras que el caacutetodo estaacute formado por una aleacioacuten de hidruro metaacutelico Estos
acumuladores no padecen mucho del efecto memoria como desventaja sino en
su rendimiento a bajas temperaturas Estos acumuladores de niacutequel-metal
hidruro son perfectamente recargables con amplia gama de aplicaciones en
diversos equipos electroacutenicos como en la fabricacioacuten de vehiacuteculos eleacutectricos
como fuente de alimentacioacuten de su sistema
22
Bateriacuteas de iones de litio (Li-Ion) Son muy utilizados para pequentildeas
aplicaciones en dispositivos electroacutenicos el cual estaacuten constituidas por sales de
litio que es usada como electrolito para genera una reaccioacuten quiacutemica
generaacutendose una corriente eleacutectrica
Las bateriacuteas de iones de litio se distinguen por su alta densidad energeacutetica la
practicidad de ser pequentildeos y ligeros con un excelente rendimiento energetico
Con un miacutenimo fenomento de efecto memoria permitiendo las muacuteltiples cargas y
descargas sin afectar el rendimiento de la bateriacutea Sus aplicaciones son muy
variables como en vehiacuteculos eleacutectricos herramientas inalaacutembricas y equipos
portaacutetiles
Figura 13 Los diferentes Tipo de Bateriacuteas (Referencia httpwwwolapymescomola2826mubateriashtml)
Figura 14Partes internas y proceso de funcionamiento de una bateriacutea de Ion de litio (Referencia architecnologiablogspotcom - 2014)
23
Bateriacuteas de poliacutemero de litio (LiPo) Son variaciones de las bateriacuteas de Li-Ion
(ion de litio) con mejores prestaciones en su densidad energeacutetica y mayor tasa de
descarga A pesar de tener mejores prestancias que las bateriacuteas de Li-Ion su
principal inconveniente es que quedan praacutecticamente inuacutetiles si se descargan por
debajo de su miacutenimo de tres voltiosTambien usados en aplicaciones muy
variables como aeromodelismo drones herramientas y equipos moacuteviles
portaacutetiles
Bateriacuteas de Grafeno Estaacute constituida por una laacutemina de carbono puro que soacutelo
tiene un aacutetomo de espesor y se distribuye siguiendo un patroacuten regular hexagonal
Es 100 veces maacutes fuerte que el acero y su densidad lo hace muy similar a la fibra
de carbono con un peso 5 veces maacutes ligero que el aluminio Es un cristal
bidimensional con propiedades uacutenicas como ser faacutecil de sintetizar en varias
formas Las bateriacuteas de Grafeno cabe mencionar que siguen en desarrollo con
versiones que auacuten no son consolidadas para ser presentadas al mercado actual
pero se pretende que las bateriacuteas de Grafeno sean el futuro Al presentar
mayores prestaciones como ser maacutes baratas en su fabricacioacuten y no sufrir
Figura 15Parte interna de una bateriacutea de poliacutemero de litio (Referencia httpsbateriasdelitionet)
24
desventaja alguna con el paso del tiempo lo que conlleva una vida uacutetil maacutes
extensa
Figura 16Proceso de Fabricacioacuten de Bateriacutea de Grafeno (Referencia httpsencrypted-
tbn0gstaticcom artiacuteculo publicado 06022019)
25
Tabla 2 Cuadro comparativo de los diferentes tipos de Bateriacuteas en el mercado actual (elaboracioacuten Propia)
Tipo de Bateria Energiacutea peso
Voltaje por
elemento
(Volt)
Duracioacuten
(nuacutemero de
recargas)
Periodo de
carga
Auto-descarga
por mes ( del
total)
Efecto Memoria Sensibilidad Capacidad (Ah) Manteniminento
Plomo-Acida 30-50 WhKg 2 volt 1000 8-16 Hr 5 NingunoPoco sensible al
Calor2 Ah (por placa)
Se requiere cambio
de electrolito cada
3 meses
Niquel Cadmio 48-80 WhKg 125 Volt 500 10-14 Hr 30
Alto si no se
mantiene
adecuadamente
Muy resistente a
la temperatura 12 - 22 Ah
alto si no se
mantiene
adecuadamente
Niquel -Hidruro (Ni-
Mh) 60-120 WhKg 125 Volt 1000 2-4 Hr 20
Moderado se
puede evitar
con una carga
adecuada
Muy sensible a
temperaturas22 - 3 Ah
Moderado se
recomienda una
descarga una vez
cada 3 meses
Iones de litio
(Li-Ion) 110-160 WhKg 316 Volt 4000 2-4 Hr 25 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
Poliacutemero de litio
(LiPo)100-130 WhKg 37 Volt 5000 1-15 Hr 10 Ninguno
Sensible al calor
y a los impactos3- 338 Ah Ninguno
26
214 Pantalla de Cristal Liacutequido LCD (Liquido Cristal Display)
Es una pantalla delgada constituido por un determinado nuacutemero de piacutexeles que se
colocan delante de una fuente de luz Cada piacutexel de la pantalla incluye unas moleacuteculas
helicoidales de cristal liacutequido es un material especial que comparte propiedades de un
soacutelido y liacutequido Este su caracteriacutestica de funcionamiento
En esta aplicacioacuten haremos uso de una pantalla de cristal liacutequido que es un dispositivo
para la presentacioacuten de imaacutegenes o caracteres Basado en el microcontrolador Hitachi
44780 o compatible que muestra 16 o 20 caracteres en 1 2 o 4 liacuteneas (Figura 4)
Figura 17 Pantalla de Cristal Liacutequido de 20x4 (Referencia httpselectronilabcowp-contentuploads2014081154900-1jpg)
215 Plataforma Web Thing Speak
Thing Speak es una plataforma con aplicaciones iOS y Android para controlar
Arduino Raspberry pi ESP8266 Intel Galileo Particle dispositivos Seriales y Wifi entre
otros Es un panel digital donde puede crear una interfaz graacutefica para su proyecto
simplemente arrastrando y soltando widgets Este sistema no estaacute limitado a ninguacuten
hardware especiacutefico Solo se requiere que tu proyecto este linekeado en internet para
poder hacer uso de esta plataforma de trabajo Esta plataforma puedes hacer uso de
diferentes aplicaciones de control de equipos mediante el uso de uno celular Smartphone
Table y equipos portaacutetiles Thing Speak una plataforma para IOT (internet de las cosas)
27
lista para usar con anaacutelisis de MATLAB a fin de probar prototipos y poner en
marcha sistemas de pequentildea escala
Figura 18 Plataforma de Trabajo Thing Speak para Internet de las Cosas (Referencia httpsencrypted-tbn0gstaticcom)
216 Sensor de Humedad SHT11
Este sensor tiene la particularidad de medir la humedad relativa y temperatura entre los
rangos de trabajo de -40degC a 1238 degC y con una humedad relativa (RH) 0 a 100 Estaacute
disentildeado en un chip integrado con una carcasa epoxica el procesamiento de la sentildeal es
una huella pequentildea y Proporcionar una salida digital totalmente calibrada Con uacutenico
elemento sensor capacitivo que emplea para medir la humedad relativa mientras que la
temperatura se mide por un espacio de banda Estaacute basado en tecnologiacutea CMOS que
garantiza una excelente fiabilidad y estabilidad a las perturbaciones externas se acopla
perfectamente a sistemas analoacutegicos digitales de 14 Bits
28
Cada SHT11 se calibra individualmente en una caacutemara de precisioacuten de humedad Los
factores de calibracioacuten son programados en una memoria OTP en el chip Su diminuto
tamantildeo y bajo consumo de energiacutea Hace que SHT11 sea la mejor eleccioacuten para las
Aplicaciones maacutes exigentes El cual construye en un LCC de montaje en superficie
(Leadless Chip Carrier) que estaacute aprobado para reflujo estaacutendares en Procesos de
soldadura
Grafico 2 Curva de Temperatura del Sensor de Humedad SHT11
Figura 19 Forma Fiacutesica del Sensor de Humedad SHT11 (Referencia httpswwwisweekcom)
Grafico 1 Curva de humedad relativa del Sensor de Humedad SHT11
29
El sensor funciona de manera estable dentro del rango normal recomendado la explosioacuten
de este dispositivo en condiciones extremas mayores de 1238 degC y con una humedad
relativa (RH) 0 a 100 pude deteriorar sus caracteriacutestica electicas del dispositivo
Grafico 3 Curva de operacioacuten Temperatura Vs Humedad Relativa
Como se pude ver la figura 23 se muestra la disposicioacuten de los pines de conexioacuten para el
funcionamiento del dispositivo electroacutenico del sensor SHT11 como la forma correcta de
interconectar con microcontrolador o microprocesador en un sistema Digital
Figura 20 Circuito de conexioacuten del sensor SHT11 (Referencia httpswwwsparkfuncom)
30
217 Compensacioacuten de la sentildeal de Salida del Sensor STH11
Humedad relativa
Para poder compensar la linealidad de sensor de humedad y obtener una precisioacuten total
se recomienda convertir la lectura de Humedad (SORH)
Grafico 4 Conversioacuten de SORH a Humedad Relativa
Aplicando la siguiente formula
119929119919119949119946119951119942119938119955 = 119914120783 + 119914120784 lowast 119930119926119929119919 + 119914120785 lowast 119930119926119929119919120784 (119929119919)
Tabla 3 Coeficientes de conversioacuten de Humedad
218 Compensacioacuten de temperatura y Humedad Relativa
Para temperaturas significativamente diferentes de 25 deg C la sentildeal de humedad relativa
requiere una compensacioacuten de temperatura que corresponda aproximadamente a 012
de HR deg C a 50 de HR Coeficientes para la temperatura
31
RHTrue = (TdegC minus 25)(t1 + t2 lowast SORH ) + RHLinear
Tabla 4 Coeficientes de compensacioacuten de Temperatura
219 Sensor de corriente Tipo Hall ACS715
El ACS715 es un sensor para la deteccioacuten de corriente continua en sistemas de
automocioacuten con diversas aplicaciones tiacutepicas como control de motores deteccioacuten de
carga y Administracioacuten fuentes de alimentacioacuten de modo conmutado y sobre corriente
proteccioacuten contra fallas este dispositivo consta de un circuito Hall lineal preciso y de
baja desviacioacuten
Figura 21 Aplicacioacuten tiacutepica y su forma fiacutesica del sensor ACS715
(Referencia httpswwwallegromicrocomdatasheef)
Cuenta con un camino de conduccioacuten cerca a la superficie de espacial del semiconductor
esta Corriente es aplicada a traveacutes de conduccioacuten de cobre la cual produce un campo
magneacutetico que el circuito Hall convierte en una Tensioacuten proporcional La precisioacuten del
dispositivo se optimiza a traveacutes de la proximidad de la sentildeal magneacutetica al transductor
Una tensioacuten proporcional precisa es proporcionada por la baja desviacioacuten su
construccioacuten basada en BiCMOS (contraccioacuten de Bipolar-CMOS) que estaacute disentildeado para
32
una exactitud dentro de su encapsulado Con un estabilizador de picos que estaacute
programado para la supresioacuten de interferencias en la tensioacuten Dc
Como ya sabemos al aplicar una corriente a traveacutes de los pines (1-2) y (3-4) del sensor
este crea un campo magneacutetico que el circuito integrado transformara en un voltaje
proporcional
Diagrama 2 Diagrama de bloques funcional ACS715 (Referencia Datasheet del sensor ACS715)
Figura 22 Disposicioacuten de pines de conexioacuten del ACS715 (Fuente propia)
Numero Nombre Descripcioacuten
1 y 2 IP+ Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
3 y 4 IP- Terminal de muestreo de corriente (Fusible Interno)
5 GND sentildeal de terminal tierra
6 FILTER Terminal de capacitor externo que configura el ancho de banda
7 VIOUT sentildeal analoacutegica de Salida
8 VCC Terminal para la fuente de alimentacioacuten del dispositivo
33
Tabla 5 Tabla de rango de optimizacioacuten Ip vs Sensibilidad en mVA (elaboracioacuten propia)
2191 Curvas caracteriacutesticas de funcionamiento del Sensor ACS715
Grafico 5 Graacutefico de temperatura de ambiente vs Corriente de salida (Referencia de Datasheet)
Numero de parte TA
(degC)
Rango de optimizacioacuten
Ip (A)
Sensibilidad
Sens
(Typ) (mVA)
ACS712ELCTR-05B-T ndash40 to 85 plusmn5 185
ACS712ELCTR-20A-T ndash40 to 85 plusmn20 100
ACS712ELCTR-30A-T ndash40 to 85 plusmn30 66
34
2192 Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Versioacuten de 5 a 30 amperios
Bajo nivel de ruido a las sentildeales analoacutegicas
El ancho de banda del dispositivo se fija a traveacutes del pin FILT
Tiempo de salida de 5micros en respuesta a la corriente de entrada
Ancho de banda de 80 KHz
Nivel de 15 error de salida a 25degC
Resistencia de 12 mΩ de conductor interno
21KVrms de tensioacuten miacutenima de aislamiento de los pines 1-4 a los pines 5-8
Tensioacuten de operacioacuten de 5 Volt Dc
Sensibilidad de salida 66 a 185 mVA
Excelente salida de voltaje estable
Nivel de Histeacuteresis magneacutetica casi Cero
Respuesta radiomeacutetrica para tensioacutenes de alimentacioacuten (Micro Systems)
2110 Teclado Matricial 4x4
El teclado matricial es un dispositivo que agrupa varios pulsadores 4 filas y 4 columnas
formando una matriz del cual suman 16 teclas el cual permite controlar de forma
individual cada tecla Podemos emplear estos teclados como controladores en
procesadores como Arduino o PIC Es frecuente una disposicioacuten rectangular pura de N x
M columnas aunque otras disposiciones son igualmente posibles
35
Figura 23Disposicioacuten fisca del teclado matricial de 4x4 (Referencia
httpwwwelectronicathidocom)
Aplicaciones Teacutecnicas
Sistemas de seguridad
Menuacute de seleccioacuten
Ingreso de Datos de informacioacuten
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
16 pulsadores en estructura matricial (4 filas x 4 columnas)
Teclado tipo membrana
Tiempo de rebote le5 ms
Maacuteximo voltaje operativo 24 V DC
Maacutexima corriente operativa 30 mA
Resistencia de aislamiento 100 MΩ ( 100 V)
Expectativa de vida 1000000 de operaciones
Dimensiones del PAD 69 x 76 cm aprox
Cable de cinta plana de 85 cm de largo aprox (incluido el conector)
Temperatura de operacioacuten 0 a 50 degC
36
2111 Moacutedulo Wifi ESP8266
El ESP8266 es un chip de bajo costo que trabaja mediante el protocolo TCPIP Consta
de un microcontrolador (Tensilica Xtensa LX106) para manejar este protocolo y el
software necesario para la conexioacuten 80211 Lo que dispone de entradas y salidas
digitales de propoacutesito general (GPIO) asiacute como una entrada analoacutegica (ADC de 10bit)
La ventaja de este moacutedulo es establecer una conexioacuten Wi-Fi con el microcontrolador que
se programe en la arquitectura Arduino el chip es perfecto para poder desarrollar
infinidades de aplicaciones mediante la tecnologiacutea IOT (internet de las cosas) Se
presentan en varios modelos el modulo ESP8266 que se diferencian en la cantidad de
GPIO disponibles y en la forma-tecnologiacutea de la antena Wi-Fi
Figura 24 Forma Fiacutesica del Moacutedulo ESP 8266 y disposicioacuten de pines (Referencia httpsprogramarfacilcom)
Especificaciones del moacutedulo ESP8266 son las siguientes
Consta de 32-bit RISC CPU Tensilica Xtensa LX106 corriendo a 80 MHz (que
puede ser overcloking (aumento de velocidad del microprocesador) a 160MHz si
se requiere)
RAM 64 Kb de para instrucciones y 96 KB de RAM para datos
IEEE 80211 bgn Wi-Fi
Consta de 16 pines GPIO
UART en los pines dedicados (usada para la programacioacuten del chip)
37
Un convertidor Analoacutegico-Digital (ADC) de 10 bit
Cuenta con un rango de frecuencia de funcionamiento 24G ~ 25G
Voltaje de operacioacuten 25V ~ 36V
Corriente de operacioacuten 80 mA
Rango de temperatura de operacioacuten ndash40degC ~ 125degC
Aplicaciones
Electrodomeacutestico
Automatizacioacuten en el hogar
Sistema de caacutemaras IP
Dispositivos con reconocimiento de ubicacioacuten Wi-Fi
Monitoreo para Bebes
Sistema de posicionamiento Wi-fi de balizas
2112 Relay o Relevador
El relay que un interruptor controlado mediante un circuito eleacutectrico a traveacutes de un
electroimaacuten de una bobina define el cierre o la apertura de los otros circuitos
Este dispositivo opera como interruptor posibilitando negando el paso de la corriente
eleacutectrica su funcionamiento se basa cuando se alimenta una bobina esta se excitan y
genera un imaacuten el cual atrae unas placas metaacutelicas haciendo la apertura y cierre de
circuitos Existe diferentes tipos de relevadores para diferentes aplicaciones este
dispositivo aiacutesla la parte de potencia de un circuito electroacutenico con loacutegica de control
38
(a) (b)
Figura 25 (a) Relay de alarmas del circuito de Monitoreo de bancos de bateriacuteas (b) Diagrama esquemaacutetico del circuito de potencia de los relay de alarmas (Fuente propia)
2113 Sensor de Voltaje (Divisor de Tensioacuten Dc)
En la aplicacioacuten del proyecto nos estamos basando en un divisor de tensioacuten Dc que estaacute
basado en 2 resistencia en paralelo cual el voltaje de entrada es divido para poder
obtener un voltaje de salida que es una fraccioacuten de la entrada Esta salida de voltaje es
enviada al moacutedulo de control en forma analoacutegica para su procesamiento mediante la
loacutegica de Control
Figuran 26 Diferentes modos de representacioacuten de un divisor de Tensioacuten Dc (Referencia httpscdnkastaticorg)
39
En la siguiente figura la resistencia maacutes proacutexima a la tensioacuten de entrada (Vin) como R1 y
a la resistencia maacutes proacutexima a la tierra como R2 Con una caiacuteda de tensioacuten a traveacutes
de R2 se llama Vout esta tensioacuten es dividida obteniendo una tensioacuten de informacioacuten
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
1198811198941198991198772
(1198771+1198772) Circuito Sin Carga
119881119900119906119905 = 119881119894119899I1198772
I(1198771+1198772)=
119881119894119899(1198772∥119877119871)
(1198771+1198772∥119877119871) Circuito con Carga
El caacutelculo para poder obtener el valor del divisor de tensioacuten Dc se basa en asumir los
tres valores del circuito anterior Tensioacuten de Entrada (Vin) los dos valores de las
resistencias (R1 y R2) Dado esos valores podemos usar esta ecuacioacuten para encontrar el
Tensioacuten de salida (Vout)
40
22 CAPIacuteTULO 3
23 DESARROLLO DE LA SOLUCIOacuteN
En el siguiente capiacutetulo se describe paso a paso las etapas del proyecto mediante el
diagrama de bloques de la implementacioacuten la cual se mostraraacute en el desarrollo de la
misma
Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de bateriacuteas
Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado estudio
tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del sistema de
monitoreo en tiempo real
Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
31 Determinar los paraacutemetros involucrados en la eficiencia de los bancos de
bateriacuteas
Los paraacutemetros a considerar en la eficiencia y rendimiento de un banco de bateriacutea
para poder optener una excelente productibilidad en las aplicaciones en donde se
aplique las baterias son
Estado de carga State Of Charge (SOC) () Es uno de los valores del estado
de la bateriacuteaque se mide de forma porcentualcuando la bateriacutea llega a niveles
maacuteximos de carga del 100 de su energiacutea almacenadaEste paraacutemetro es muy
importante a la hora de realizar el disentildeo de un proyecto de energiacutea que se
encuentre constituido por bancos de bateriacutea
Profundidad de descarga Depth Of Discharge (DOD) ()
Es la relacioacuten que existe entre la capacidad de una bateriacutea en amperio-hora (Ah)
que entrega a un carga con respecto a la capacidad nominal Este paraacutemetro es
alternativo al estado de carga (SOC) de una bateriacutea cuando el SOC disminuye el
DOD aumenta
41
Voltaje de vaciacuteo (V0) Es el voltaje que se presenta las bateriacuteas cuando no hay
ninguna carga entre sus terminales conectados y cuyos valores de la bateriacutea estaacuten
determinados por las caracteriacutesticas teacutecnicas de cada fabricante
Voltaje en circuito cerrado (Volt)
Es el voltaje que se presenta en las baterias cuando se encuetra conectada a un
carga eleacutectrica entre sus terminales positivo y negativo lo que conyeva a la
disminucioacuten de carga el cual es directamente proporcional a la corriente que circule
por una carga eleacutectrica
Resistencia interna Es la magnitud fiacutesica interna que existe en una beteriacutea
cuando se aplica una carga cuyos valores pueden estaacuten determinados por la
antiguumledad o el nuacutemero de descargas profundas Generaacutendose variaciones en sus
composiciones quiacutemicas dentro de una bateriacutea Es imposible medir directamente la
resistencia interna de una bateriacutea pero se puede calcular mediante los datos de
corriente y voltaje aplicando un circuito eleacutectrico Esta resistencia interna de las
baterias se puede calcular aplicando las siguientes ecuaciones
119877119861 =1198810 minus 119881
119868
119877119861 =1198810
119868minus 119877119871
Siendo en la ecuacioacuten
119877119861 ≫ Resistencia Interna de la bateriacutea
1198810 ≫ Voltaje de vaciacuteo de la bateriacutea
119881 ≫ Voltaje de la bateriacutea con carga
119868 ≫ Corriente aplicada por la bateriacutea
42
La resistivilidad interna de un acumulador de energiacutea o bateriacutea no es un valor fijo
que te proporciona el fabricante sino que es una variacion que se presenta con la
antiguumledad de la bateriacutea Este valor de la bateriacutea tiende a tener una resistivilidad
interna aproximadamente de 1 Ω (Ohmio)
Capacidad Es la proporcioacuten de energiacutea maacutexima que puede suministrar una
bateriacutea entre sus terminales positivo y negativo El cual esta dado en Ah (amperio-
Hora) Es decir un 1 Ah es la cantidad de corriente continua (Ic) que puede
atravesar un conductor por un periodo de una 1 Hora
1A (1 Ah = 3600 Coulomb) Se emplea para poder indicar la capacidad de una
bateriacutea o otro dispositivo capaz de almacenar energiacutea eleacutectrica Es decir la
cantidad de electricidad que puede almacenar un acumulador durante su periodo
de carga y devolver durante su periodo de descarga
Figura 27 Modo de conexionado de bateriacuteas en serie para aumentar la capacidad (Referencia httpswwwmonsolarcom)
43
La capacidad matemaacuteticamente es representado por 1 A (1 Ah = 3600 Coulomb)
Doacutende
1119860 = 1119862
119904≫≫ 1119860 119904 = 1119862
119871119906119890119892119900
1119860 ℎ = 1119860 ℎ3600
1ℎ= 3600119860 119904 ≫≫ 3600119862
119901119900119903 119897119900 119879119886119899119905119900 1119860ℎ = 3600119862
Se calcula con la siguiente ecuacioacuten
119862 = int 119894 1198891199051199052
1199051
Capacidad nominal Es la proporcioacuten de energiacutea que suministra la bateriacutea a
plena carga hasta poder obtener una tensioacuten en descarga determinada Este
paraacutemetro depende baacutesicamente por 3 valores velocidad de descarga (reacutegimen
de descarga) temperatura y tensioacuten final Estas condiciones estaacuten definidas en
las normas internacionales IEC y IEEE
Capacidad real Es la suficiente energiacutea que puede entregar una bateriacutea en plena
carga en condiciones reales de funcionamiento Esta capacidad puede ser mayor
o menor a la capaciada nominal el cual esta ligado a la descarga utilizada y la
temperatura de trabajo
Capacidad retenida Es la suficiencia que conserva la bateriacutea despueacutes de un
periodo de reposo o inactividad
Maacutexima corriente de descarga continua maacutexima corriente que la bateriacutea puede
suministrar durante una descargar de forma continuada Este liacutemite viene definido
por el fabricante para evitar dantildeos o reduccioacuten de su capacidad
44
Maacutexima corriente en intervalos
Es la maacutexima corriente de un acumulador de energiacutea que puede ser descargado
en un intervalo de periodos que suelen ser alrededor de los 10 ms Estos
paraacutemetros vienen especificados por el fabricante y poder tener presente a la hora
de realizar proyectos como a su vez evitar dantildeos o perdidas de prestaciones en
el rendimiento o servicio Esta corriente suele ser sensiblemente maacutes alta que la
maacutexima corriente continua
Coulomb Es una unidad con una magnitud fiacutesica que indica la ldquoCantidad de
electricidadrdquo (carga eleacutectrica) que circula por un conductor y que difine una
corriente de carga o descarga de una bateriacutea Un Coulomb difine la cantidad de
carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio
1119862 = (1 119860119898119901)(119904119890119892119906119899119889119900)
El coulumb puede ser negativo o positivo con un valor de
6241 509 629 152 650 x 1018119890minus
Tambieacuten puede expresarse en teacuterminos de capacidad (F faradio) y tensioacuten
(V voltio) seguacuten la relacioacuten
1119862 = 1119865 119881
Equivalencia en amperio - Hora
1119862 = 00002777119860ℎ asymp 02777119898119860ℎ
1119860 ℎ = 3600119862 asymp 1119898119860ℎ = 36 119862
Autodescarga Es la peacuterdida de capacidad de una bateriacutea cuando se mantiene
en circuito abierto o sin una carga entre sus terminales la Autodescarga se
expresa en teacuterminos de porcentaje de peacuterdida de capacidad con respecto la
capacidad nominal en un periodo de tiempo de un mes
45
Sobrecarga Se presenta cuando se continuacutea cargando una bateriacutea despueacutes de
que se pierda la eficiencia de reacciones electroquiacutemicas al cargar la bateriacutea
Densidad de Energiacutea Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
volumen (Whl)
Densidad de Potencia Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
volumen (Wl)
Energiacutea Especiacutefica Energiacutea que puede almacenar una bateriacutea por unidad de
peso (Whkg)
Potencia Especiacutefica Potencia que puede entregar una bateriacutea por unidad de
peso (Wkg)
Vida uacutetil Es el tiempo que la bateriacutea puede proporcionar por encima de sus
liacutemites miacutenimos predeterminados Definido tambieacuten como el nuacutemero de veces que
la bateriacutea puede ser recargada y poder recobrar su capacidad completa despueacutes
de su uso
Eficiencia de carga () Es la relacioacuten que existes entre la energiacutea extraiacuteda
durante el proceso de descarga con la energiacutea utilizada durante la carga para
restaurar la capacidad inicial de la bateriacutea Esta condicioacuten estaacute dada acorde a la
temperatura de la bateriacutea es decir a menor temperatura aumenta el tiempo de
carga y reduce la aceptacioacuten de la carga
Periodo de recarga normal (h) Es el tiempo necesario de una bateriacutea para
poder recargarse completamente este tiempo esta referido en horas o minutos
dependiendo de la composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten
y especificaciones teacutecnicas del fabricante
46
Periodo de recarga raacutepida (h)
Es el tiempo de recarga o recuperacioacuten de la bateriacutea en un porcentaje del 99 de
su capacidad real Esto valores pueden variar significativamente seguacuten la
composicioacuten interna de la bateriacutea la tecnologiacutea de fabricacioacuten y especificaciones
teacutecnicas del fabricante
Curvas de carga descarga Son valores especificados con la funcionalidad y
prestaciones de una bateriacutea
Delta Peak Consiste que cuando el cargador detecta en la bateriacutea que estaacute
totalmente cargada debido a un descenso del voltaje y otros factores
desconectando la carga raacutepida y pasando a sistema de goteo (trickle) esta
aplicacioacuten se usa para cargar bateriacuteas de NIMH y Ni Cd
Grafico 6 Curva de respuesta de la temperatura y capacidad de descarga de una Bateriacutea (Referencia de tesis de la Universidad Puacuteblica de Navarro-junio 2018)
47
Estos valores picos de tensioacuten son detectados en la bateriacutea durante el proceso de
plena carga el cual el voltaje aumenta bruscamente a la igual que los picos de
voltaje el cual el cargador mediante su electroacutenica detecta estos valores y finaliza
el periodo de carga
Descargas anormales Son aquellas descargas de la bateriacutea que se ejecutan
abruptamente con un porcentaje menor al 10 Que estaacuten fuera de los niveles
indicados en las especificaciones teacutecnicas dados por el fabricante
Descarga Profunda Se denomina al valor en porcentual () de la energiacutea
que se estaacute extrae de una beteriacutea a plenamente descargada La descarga
profunda podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del
20) o profundas (hasta 80) Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios o
anuales Cuanto menos profundos sean los ciclos de carga o descarga mayor
seraacute la duracioacuten de la bateriacutea Tambieacuten es importante saber que no se puede
realizar una descarga total de la bateriacutea lo que conllevariacutea un dantildeo severo en su
estructura fiacutesica y quiacutemica lo que da como resultado la perdida de gran parte de
su capacidad de carga
32 Realizar estudios de pre-factibilidad considerando el estudio de mercado
estudio tecnoloacutegico estudio financiero y suministros
322 Estudio Tecnoloacutegico
De acuerdo a las pruebas realizadas de los sensores que se utilizaran en el proyecto se
realizaron el estudio y la investigacioacuten de cuaacutel seriacutea el maacutes oacuteptimo a utilizar partiendo de
su comportamiento fiacutesico eleacutectrico sensibilidad rango de operacioacuten precisioacuten y tiempo
de respuesta
48
3221 Sensor de Temperatura y Humedad
En los sensores de temperatura y humedad se optoacute por la utilizacioacuten del DHT 22
el cual cuenta con un rango de temperatura de -40deg C a 80 degC con una
impedancia de 300 mA (SDA Output Low) en comparacioacuten del DHT 11 que
cuenta con un rango de temperatura de 0deg C a 50deg C el cual existe una diferencia
en el costo de S6 a S20 (DTH 22) como se muestra en el diagrama 3
Se opto por usar el DTH22 que es un sensor de temperatura y humedad en
comparacioacuten con los demaacutes sensores este cuenta con mayores prestaciones
Con respecto al sensor LM35 que solo puede registrar temperatura a su vez es
del tipo analoacutegico usado con gran frecuencia en fuentes de alimentacioacuten
conmutadas donde se requiere otra configuracioacuten electroacutenica
El sensor TPM36 tiene una similitud al LM35 en donde varia su rango de
temperatura entre 0ordm C 100ordmC y el TPM 36 de -50ordm C 125ordmC para las
aplicaciones del prototipo no seraacute muy conveniente su uso ya que podemos optar
por otros sensores que son muchos maacutes asequibles para este proyecto
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de DTH22
Magnitud Humedad Temperatura
Tipo Digital
Salida de Impedancia 300 mA
(SDA Output Low)
Consumo 8 mA 20 uA
Operacioacuten 33 V a 6 V
Rango de temp -40degC a 80degC
Tiempo de respuesta 05
Muestrasseg
Costo S 20
Diagrama 3Caracteristicas teacutecnicas del sensor DHT22 (Fuente propia)
49
Otro punto que podemos considerar para la aplicacioacuten del sensor DTH 22 es por
la conversioacuten de la informacioacuten que toma el sensor ( humedad y temperatura )
para el sensor DTH 22 tiene una conversioacuten de 16 bits Vs TC 64 (8 bits) LM35
(10 mV degC) TMP36 (10 mV degC estos uacuteltimos del tipo analoacutegico
Como se puede comparar en la Tabla 6 de los diferentes sensores de temperatura
y humedad con sus respectivas caracteriacutesticas teacutecnicas
Caracteristica
del SensorLM35 TMP36 TC74 DHT11 DHT22
Magnitud Fisica Temperatura Temperatura TemperaturaHumedad
Temperatura
Humedad
Temperatura
Tipo de sensor Analogico Analogico Diguital Diguital Diguital
Salida de
impedancia01 Ω por 1mA 01 Ω por 1mA
04 V a loI 6mA
(SDA Output Low)No Aplica
300 mA(SDA Output
Low)
Cosumo 60 μA 50 μA 20 μA (medicioacuten)
200 μA (en espera)
03 mA (medicioacuten)
60 uA (en espera)
8 mA (medicioacuten)
20 uA (en espera)
Voltaje de
operacioacuten 4 V a 30 V 27 V a 55 V 27 V a 55 V 3 V a 55 V 33 V a 6 V
Rango de
temperaturas -55deg C a 150deg C -40deg C a 150deg C -40deg C a 125deg C 0deg C a 50deg C -40deg C a 80deg C
Precisioacuten plusmn05degC plusmn 2deg C
plusmn 2deg C de 25deg C a 85deg
C y plusmn 3degC de 0degC a
125deg C
plusmn 2deg C plusmn 05deg C
Conversioacuten 10 mV degC 10 mV degC 8 bits
16 bits
(HumedadTempe
ratura)
16 bits
(HumedadTemper
atura)
Tiempo de
respuesta (100)4 min 8 min
8 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
05 (Muetras por
segundo)
Offset 0 V 05 V No Aplica No Aplica No Aplica
Costo S 6 S 26 S 19 S 6 S 20
Imagen del sensor
Tabla 6Cuadro comparativo de sensores de Temperatura y Humedad (Fuente propia)
50
3222 Sensor de Corriente
En las evaluaciones de los sensores de corriente tenemos una variedad muy
amplia en donde podemos encontrar sensores que se hacen su funcionalidad
basaacutendose en bobina de corriente elementos bimetaacutelicos como son los sensores
del tipo Shunt En esta aplicacioacuten del proyecto hemos optado por la utilizacioacuten del
sensor ACS 712 el cual tiene prestaciones en su salida de impedancia rango de
trabajo de 0 a 30 Amp frecuencia de trabajo 200 KHz y precisioacuten IP = plusmn30 A TA
= 25degC Teniendo una compatibilidad adecuada con el microcontrolador Arduino
2560
Para aplicaciones versaacutetiles en la fabricacioacuten del moacutedulo de monitores de Bateriacuteas
se pudo haber utilizado el SCT-O 13-030 que tiene la particularidad de poder
medir cargas mayores de 30 amperios lo que es maacutes recomendable en
aplicaciones industriales como tambieacuten en otros proyectos Este sensor SCT-O
13-030 de corriente solo puede registrar tomas de corrientes en Ac en
comparacioacuten del sensor ACS 712 que registra corrientes en Dc
Para las aplicaciones de mayor envergadura en donde se requiere medir niveles
de corriente que superan maacutes de los 50 Amperios en DC se puede hacer uso del
sensor de corriente del tipo Shunt 300A75mV son muy usados en Bancos de
Bateriacuteas de Centrales de telefoniacutea Solares sistemas Hiacutebridos y automotrices La
toma de informacioacuten se basa en el principio de derivacioacuten de tensioacuten esta tensioacuten
de informacioacuten se usa para poder determinar la intensidad de corriente eleacutectrica
que fluye a traveacutes de esta carga en comparacioacuten ACS 712 que cuenta con un
rango de 0 a 30 Amperios en Ac y Dc
Tambieacuten podemos considerar la frecuencia de trabajo entre el microcontrolador y
el sensores de corriente como podemos comparar entre el sensor ACS 712 que
opera en una frecuencia de 200 KHz en comparacioacuten de los demaacutes sensores de
corriente como son
51
Como podemos observar en el diagrama 4 las diversas caracteriacutesticas teacutecnicas
del sensor de corriente ACS 712 el cual se propuso en la fabricacioacuten del
prototipo por sus diversas bondades
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de ACS712
Magnitud Corriente
Tipo de magnitud ACDC
Tipo de sensor Inductivo
Salida de Impedancia 47 KΩ
Consumo 10 mA
Operacioacuten 5 Vdc
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Rango de corriente 0 a 30 Amp
Frecuencia de trabajo 5 μs (200 kHz)
Conversioacuten 66 a 185 mVA
Precisioacuten IP = plusmn30 A TA = 25degC
Costo S 20
Diagrama 4Caracteristicas teacutecnicas del sensor ACS 712 (Fuente propia)
TA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030ACS756SCB-
050B
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Tabla 7Frecuencia de trabajo de los sensores de corriente Ac-Dc (Fuente propia)
52
Como se puede comparar en la Tabla 7 tenemos la caracteriacutestica de
funcionamiento y comparacioacuten de cada uno de los sensores de corriente
3223 Sensor de Voltaje
Seguacuten los ensayos realizados con diferentes tipos de sensores de voltaje que
existen en el mercado de la electroacutenica se llego a la conclusion de aplicar el
sensor de voltaje FZ0430 que estaacute basado en un divisor de tensioacuten de resistencia
de 30KΩ y 75 KΩ en configuracioacuten en serie lo que supone que la tensioacuten
percibida tras el moacutedulo sea de divida por un factor de 5 (75(30+75)) Por tanto
la tensioacuten maacutexima que podemos medir seraacute 25V para un procesador de tensioacuten
de alimentacioacuten Vdc 5V y 165V para un procesador de Vdc 33V Superar esta
tensioacuten en el input del FZ0430 dantildearaacute el pin analoacutegico de Arduino
Caracteristica
del SensorTA12-200 ACS712 Shunt 300A75mV SCT-O 13-030
ACS756SCB-
050B
Magnitud Fisica Corriente Corriente Corriente Corriente Corriente
Tipo de corriente AC AC-DC DC AC AC-DC
Tipo de sensor no invasivos inductivo resistivo no invasivos no invasivos
Salida de
impedancia31Ω 47 KΩ 35 mΩ o 75 Ω 62 Ω 47 KΩ
Temperatura de
Trabajondash 55 a 85 degC ndash 40 a 85 degC ndash 10 a 50 degC ndash 40 a 70 degC ndash65 a 165degC
Cosumo 0 mA a 25 mA 10 mA no aplica 0 mA a 32 mA 3- 14 mA
Voltaje de
operacioacuten 0 - 2 voltio 5 Vdc 0 a 5Kv 0 - 10 vdc 3 - 55 voltios
Rango de
Corriente0 a 5A AC 0 a 30 Amp 0 a 300 Amp 0 a 30 Amp 0 a 50 Amp
Precisioacuten plusmn30 IP = plusmn30 A TA = 25degC 05- 1 plusmn 1 plusmn 1
Conversioacuten 2000Vac1min-5Amp 66 a 185 mVA 60 mV 1000 Amp 1800Vac1min-5Amp 372 a 428 mVA
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 20 KHz 5 μs (200 kHz) no aplica 50 Hz a 1 KHz 120 KHz
Offset 05 Votios 05 Votios50 mV 60 mV 75 mV
100 mV 150 mV05 Votios (-) 30 a 30 mV
Costo S75 S20 S60 S35 S50
Imagen del sensor
Tabla 8Cuadro comparativo de sensores de Corriente (Fuente propia)
53
Por otro lado se tiene los sensores HCPL-3700 que no es muy comercial en el
mercado para prestaciones en donde se requiere medir tensiones alterna (Ac) en
el rango de 220 Voltaje a su vez tiene un buen nivel de aislamiento eleacutectrico con
un margen de error de plusmn 03 y buena impedancia mayor de 1000MΩ
El ZMPT101B (Operacional Lm358) este uacuteltimo basado por un integrado
operacional y un transformado de corriente este sensor cuenta con una precisioacuten
del plusmn 02 con una frecuencia de trabajo de 20 Hz a 60 KHz y una impedancia
de 05 KΩ En donde existe variaciones en los costos mayores que otros
sensores como se puede ver en la Tabla 8
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Bateriacutea de
Plomo
acido
Microcontrolador
Atmega 2560
Caracteriacutesticas Teacutecnicas
Sensor de FZ0430
Magnitud Voltaje
Tipo de magnitud DC
Tipo de sensor No invasivo
Salida de Impedancia Basado en un
divisor de tensioacuten de 30 KΩ y 75 KΩ
(02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de trabajo ndash 40 85 degC
Consumo 297 mW a 3125 w
Operacioacuten 45- 5 volt
Rango de Voltaje 0 -25 volt
Conversioacuten 000489 Vdc
Precisioacuten plusmn5
Costo S 20
Diagrama 5Caracteristicas teacutecnicas del sensor FZ0430 (Fuente propia)
54
33 Establecer conexioacuten inalaacutembrico donde se visualiza los paraacutemetros del
sistema de monitoreo en tiempo real
Para poder establecer una conexioacuten inalaacutembrica de los paraacutemetros de la bateriacutea seraacute
necesario tomar informacioacuten del estado de la bateriacutea mediante el uso de sensores Estos
sensores pueden ser de corriente tipo Hall ACS 715 temperatura y humedad DTH22
(integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder medir el voltaje mediante la
aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten que se tiene como respuesta una caiacuteda de tensioacuten
Caracteristica
del Sensor
ZMPT101B (Op
Lm358)HCPL-3700 FZ0430
Magnitud Fisica voltaje voltaje voltaje
Tipo de Voltaje AC AC-DC DC
Tipo de sensor inductivo Diguital no invasivos
Salida de
impedancia05 KΩ 1000 MΩ
Basado en un divisor de
tension de 30 KΩ y 75
KΩ (02 KΩ - o 200 Ω)
Temperatura de
Trabajondash 40 a 70 degC ndash 40 a 85 degC ndash 40 a 85 degC
Cosumo 0 mA - 3 mA 0 mA - 30 mA 297 mW a 3125 w
Voltaje de
operacioacuten 33V - 5Vdc 45- 5 volt 45- 5 volt
Rango de voltaje 0-250 Vac 5-240 Volt (DC-AC) 0 -25 volt
Precisioacuten plusmn 02 plusmn 03 plusmn 5
Conversioacuten 10001000 400 Vmicros 000489 Vdc
Tiempo o
frecuencia de
Trabajo
20 Hz a 60 KHz 120 KHz No aplica
Offset 165 volt 05 Volt 2445mV (489mV x 5 =
2445mV)
Costo S40 S30 S20
Imagen del sensor
Tabla 9Cuadro comparativo de sensores de voltaje AC-DC (Fuente propia)
55
Toda esta informacioacuten es tomada de los sensores y llevada al microcontrolador
ATEMEGA 2560 que Mediante estos paraacutemetros podemos tener un mejor rendimiento
de la bateriacutea cuando se encuentre operando en plena carga y evitar un descontrol
desmedido
En las entradas analoacutegicas del microcontrolador ATMEGA 2560 se conecta el sensor
corriente tipo Hall ACS 715 (Pin A01) y el divisor de tensioacuten correspondiente al Pin A0) y
en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura DTH22 en los
pines 11-10 del Microcontrolador ATMEGA 2560
Estaacute informacioacuten es procesada y reflejada en una pantalla LCD de 32x2 en donde se
muestran los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba El intervalo de las
lecturas de los sensores pueden ser programadas por medio de un teclado matricial de
4x4 Tambieacuten esta informacioacuten seraacute enviada por medio del protocolo TCPIP al Moacutedulo
ESP8266 Que entre los pin 2 (TX) y pin 7(Rx) del moacutedulo Wi-fi y en el microcontrolador
ATMEGA 2560 en los pin 19 (Rx) y pin 18(Tx) Este moacutedulo trabaja con un voltaje de 32
Voltios y necesita una conexioacuten de Red Wifi para poder enlazarse con la plataforma
Thing Speak en donde podemos ver mediante los graacuteficos de Tensioacuten corriente
Humedad y Temperatura en las curvas de paraacutemetros de comportamiento del Banco de
Bateriacutea
34 Disentildear la arquitectura del sistema monitoreo inalaacutembrico
Para la creacioacuten de este moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea se divide en 3
etapas principales
343 Etapa de Control
Esta etapa estaacute constituida por medio de los sensores de entrada
(VoltajecorrienteHumedadTemperatura) del sistema que es del tipo proporcional el cual
tiene una relacioacuten de realimentacioacuten desde el proceso hacia el sistema de control a traveacutes
de los sensores que toman la sentildeales del medio en que se encuentra operando la
bateriacutea
56
Diagrama 6Diagrama en Bloques de las magnitudes fiacutesicas a censar- Etapa de control (Fuente Propia)
344 Etapa Loacutegica
Se basa en la ejecucioacuten de una programacioacuten en coacutedigo fuente a coacutedigo maacutequina para
que el microcontrolador Atmega 2560 tenga una secuencia de pasos
loacutegicos que permiten el funcionamiento del sistema Los algoritmos loacutegicos del sistema se
requieren ser programados por un lenguaje de programacioacuten estructurada como Visual
C++ Labview Matlab asembler Para poder tener una funcionabilidad del moacutedulo
Figura 28Programacioacuten del moacutedulo Atmega 2560-Etapa Loacutegica del sistema (Fuente Propia)
Sensores
Voltaje
Entradas
Analoacutegicas y
Digitales
Etapa de
Potencia
Microcontrola
dor Atmega
2560
Sensores
Corriente
Sensores
Temperatura
Sensores
Humedad
Adquisicioacuten de Datos
Procesamiento de la
informacioacuten
57
345 Etapa de Potencia
Se caracteriza aislar la etapa de control que se maneja cargas de baja tensiones o
corrientes con la etapa de cargas elevadas en tensioacuten o corriente Esta etapa tambieacuten
puede actuar como amplificador este cuya funcioacuten es incrementar la intensidad de
corriente la tensioacuten o la potencia de la sentildeal que se le aplica a su entrada obtenieacutendose
la sentildeal aumentada a la salida
Figura 29 Etapa de potencia de un sistema electroacutenico (Fuente propia)
35 Construccioacuten del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
356 Disentildeo de circuito Electroacutenico
Se inicia con la elaboracioacuten del prototipo en un diagrama esquemaacutetico del sistema en
donde se realizaron pruebas y simulaciones de los diferentes casos que pudieran ocurrir
durante su funcionamiento mediante el programa de simulacioacuten de circuitos electroacutenicos
Proteus 81
58
357 Disentildeo del PCB en Eagle
Luego de las simulaciones y pruebas se procede con la construccioacuten de la placa en el
programa Eagle en donde se hace la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos como tambieacuten las pistas conductoras que llevaran las diferentes sentildeales del
sistema
358 Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Mediante este meacutetodo de serigrafiacuteas se realiza el grabado de todas las pistas del circuito
electroacutenico en la otra cara se estampa la disposicioacuten de los componentes electroacutenicos
para luego ser llevado aacutelcido feacuterrico y eliminar todas las partes que no han sido cubiertas
por la pintura fotosensible
359 Ensamblado de los dispositivos electroacutenicos la placa
En esta etapa se procede con la perforacioacuten de la placa impresa para luego se realiza el
proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
3510 Programa del moacutedulo Aduino Atmega 2560
Se elabora la programacioacuten del moacutedulo en coacutedigo fuente para la ejecucioacuten de las rutinas
o secuencia de pasos loacutegicos que permiten el funcionamiento completo del sistema
3511 Ensamblado del PBC en el gabinete
Finalizado con el armado de la placa impresa nos lleva como fase final el ensamblado de
la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las conexiones de los sensores y la
alimentacioacuten para luego proceder con el encendido del sistema electroacutenico
59
36 Diagrama de ensamblado del proyecto
Diagrama esquemaacutetico en Proteus
Ensamblado de los dispositivos
electroacutenicos en placa
Programa del moacutedulo Atmega 2560
Ensamblado del PBC en el gabinete
Disentildeo de la placa por medio de serigrafiado
Disentildeo del PCB en Eagle
Diagrama 7 Proceso de disentildeo y fabricacioacuten de tarjeta electroacutenica del moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas (Fuente propia)
60
37 Diagrama de EDT de la constitucioacuten del Proyecto
Diagrama 8Diagrama EDT del desarrollo de la solucioacuten del problema del sistema de monitoreo de bancos de bateriacutea (Fuente propia)
61
38 DISENtildeO E IMPLEMENTACIOacuteN DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS
3812 FABRICACIOacuteN DE PLACA IMPRESA (PBC)
38121 PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
Una placa de circuito impreso o PCB (del ingleacutes printed circuit board) es un pieza
compuesto por trazas de material conductor laminado sobre una base no conductiva o
material dieleacutectrico En estas placas se pueden realizarse interconexiones entre los
componentes pasivos (resistencias condensadores electroliacuteticos ceraacutemicos)
semiconductores como tambieacuten bases de integrado tipo DIN y conectores Con la mayor
practicidad e inmunidad a ruido menor probabilidad de fallas Estas placas se pueden
fabricar de plaacutestico fibra de vidrio ceraacutemica o tefloacuten Como tambieacuten suelen ser riacutegidas o
flexibles y su disentildeo o diagramacioacuten se realiza en un software de PCB La creacioacuten y
produccioacuten de la misma puede ser automatizada o manual
Una vez tenemos el disentildeo electroacutenico de la placa se debe crear el fichero de pistas o
ldquoGerberrdquo mediante alguno los software existentes en el mercado (PCB Wizard Eagle
Proteus KiCad Orcad) Este fichero compone tanto de las dimensiones de la placa las
pistas existentes y los Pads de los componentes contenidos en el PCB como tambieacuten la
informacioacuten para su montaje
Figura 30 Proceso de fabricacioacuten de placas impresa (Referencia httpspcbcentralcomwp-contentuploads201802flowjpg)
62
Para la fabricacioacuten de la placa del sistema electroacutenico del sistema de monitoreo de
bancos de bateriacuteas se realizaron en diferentes paso a continuacioacuten se nombra los
siguientes
Paso 1
Se realiza el disentildeo electroacutenico en el programa Eagle en donde se realiza el ruteo de las
pistas del circuito eleacutectrico para despueacutes poder ser impreso en una tarjeta de Fibra de
Vidrio o Baquelita en esta etapa se puede realizar una serie de variaciones del circuito
esquemaacutetico hasta poder un resultado Final
Figura 31Disentildeo de la placa PBC en el programa Eagle 93 (Fuente propia)
63
Paso 2
Impresioacuten serigraacutefica del PCB utilizando tintas resistentes al grabado para prevenir que
la capa de cobre de las pistas sea diluida por el aacutecido ferroso Quedando grabado el
cobre no deseado Existen tintas que pueden ser del tipo conductiva el cual se imprime
en una tarjeta virgen no conductiva Esta uacuteltima teacutecnica tambieacuten se utiliza en la
fabricacioacuten de circuitos hiacutebridos
(a) (b) (c)
Figura 32 (a) Impresioacuten Serigraacutefica del PCB (b) placa con la tinta fotosensible a la luz (c) Placa Virgen de Cobre de Fibra de vidrio (Fuente propia)
Paso 3
Se realiza el proceso de fotograbado utilizando el grabado quiacutemico para eliminar la capa
de cobre del sustrato La fotomecaacutenica se prepara con un fotoploacuteter a partir de los datos
producidos por el programa Eagle para el disentildeo del circuito impreso
Figura 33 Revelado de las pistas impresas y limpieza (Fuente propia)
64
Paso 4
Proceso de Seri grafiado de la placa y atacado de la placa en donde se retira toda el
cubre en donde no ha sido cubierto por la pintura Fotosensible a las luz U como la
aplicacioacuten de la pintura protectora de color azul
Figura 34 Serigrafiado de la capa protectora de las pistas (Fuente propia)
Paso 5
Proceso de limpieza de la placa de cobre y perforacioacuten de los agujero para la insercioacuten de
los componentes electroacutenicos a la placa PCB
Figura 35 Proceso de Limpieza y perforacioacuten de agujeros (Fuente propia)
65
Paso 6
La placa lista con las leyendas de ubicacioacuten de los diferentes componentes electroacutenicos
listo para el proceso de montaje
Figura 36 Placa para proceso de montaje (Fuente propia)
Paso 7
Se realiza la insercioacuten de los componentes electroacutenicos a la placa PCB y luego se realiza
el proceso de soldadura de los pines o terminales de los transistores resistencia y Relay
Figura 37 Insercioacuten de componentes a la placa (Fuente propia)
66
Paso 8
Proceso de insercioacuten de los componentes electroacutenicos en la placa PCB y armado de la
placa verificando la correcta posicioacuten de la misma para evitar errores en el
funcionamiento
Figura 38 Verificacioacuten de Posicioacuten (Fuente propia)
Paso 9
Proceso final de armado verificacioacuten de pistas y prueba de funcionamiento del sistema
electroacutenico de monitoreo de Bancos de Bateriacutea viacutea Wi-fi usando internet de las cosas
Figura 39 Armado de placa verificacioacuten de pistas y funcionamiento (Fuente propia)
67
39 PROCESO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Para el monitoreo de bancos de bateriacuteas se hace uso de electroacutenica digital basada en la
aplicacioacuten de un microcontrolador Atmega 2560 mediante el uso de sensores de
corriente temperatura y humedad (integrado en un solo pack) como tambieacuten el poder
medir el voltaje mediante la aplicacioacuten de un divisor de tensioacuten se tiene como respuesta
una caiacuteda de tensioacuten Toda esta informacioacuten es llevada al microcontrolador por medio de
sus entradas analoacutegicas se conecta el sensor corriente y el divisor de tensioacuten (pines A0-
A1) y en las entradas digitales se conecta el sensor de Humedad y Temperatura (pines
11-10) Estaacute informacioacuten es procesada y a su vez observada en una pantalla LCD de
32x2 en donde se muestra los valores de los sensores mencionado liacuteneas arriba Las
escalas de informacioacuten de los sensores pueden ser programadas por medio de un
teclado matricial de 4x4 Tambieacuten esta informacioacuten es enviada por medio del protocolo
TCPIP al Moacutedulo ESP8266 a la plataforma Thing Speak en donde se puede observar en
graacuteficos las variaciones de las magnitudes eleacutectricas obtenidas de los sensores
310 PROCESO DE ARMADO DEL PROTOTIPO
Paso 1
Despueacutes de la ejecucioacuten de la placa impresa se procede con la integracioacuten del prototipo
en un gabinete que lo aiacutesla de todo medio que pueda originar fallas Como se pude verse
en la adecuacioacuten
Figura 40 Integracioacuten del prototipo (Fuente propia)
68
Paso 2
Corte de la mica de 3 mm al aacuterea del gabinete metaacutelico como el calado donde se alojara
el teclado Matricial 4x4 la pantalla de LCD de 32x2 y el Interruptor del sistema
Figura 41 Proceso del cortado de Mica acriacutelica (Fuente propia)
Paso 3
Luego de realizar el ensamblado de la tarjeta electroacutenica en el gabinete realizamos las
conexiones de los sensores y la alimentacioacuten Para luego proceder con el encendido del
sistema electroacutenico
Figura 42 Ensamblado de tarjeta electroacutenica en el gabinete (Fuente propia)
69
Paso 4
Se realiza unas pruebas preliminares de funcionamiento del Moacutedulo con una carga como
se puede ver una pequentildea bombilla de 12 voltios a 22watt en donde podemos ver el
consumo de la corriente en la pantalla LCD
311 ELABORACIOacuteN DE PROGRAMA DEL SISTEMA DE MONITOREO
En la elaboracioacuten del programa del sistema de monitoreo de bateriacuteas se hizo uso del
programa ensamblador Arduino Genuino basado en lenguaje Asembler
Figura 43 Pruebas preliminares (Fuente propia)
Ilustracioacuten 1 Programa de ejecucioacuten para la plataforma Arduino (Fuente propia)
70
31113 Programa del sistema de Monitoreo de Bateriacuteas
A continuacioacuten se puede observar una parte del programa realizado en asembler
include ltEEPROMhgt
include ltKeypadhgt
include ltLiquidCrystalhgt
include ltAdafruit_Sensorhgt
include ltDHThgt
include ltDHT_Uhgt
define esp8266 Serial1
define DHTPIN 10
define DHTTYPE DHT11 DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN DHTTYPE)
const byte ROWS = 4 four rows
const byte COLS = 4 four columns
char hexaKeys[ROWS][COLS] =
1 2 3 F
4 5 6 E
Figura 44Proceso de compilamos y carga de la programacioacuten en el Arduino 2560 (Referencia httpwwwsitesupiicsaipnmx)
71
7 8 9 D
A 0 B C
LiquidCrystal lcd(23 25 27 29 31 33)
String AP = italo wifi CHANGE ME
String PASS = italo2231 CHANGE ME
String API = 2MR2UH1BIDL301SU CHANGE ME
String HOST = apithingspeakcom
String PORT = 80
String getData
int countTrueCommand
int countTimeCommand
boolean found = false
int valSensor = 1
long sendTime
const long sendPeriod = 60000
long measureTime
const long measurePeriod = 5000
char Key
float Voltage
float Current
float Temperature
float Humidity
const float Vfactor = 20
const float Cfactor = 1515
int Vmin
int Vmax
int Cmin
int Cmax
72
int Tmin
int Tmax
int Hmin
int Hmax
int Valarm
int Calarm
int Talarm
int Halarm
unsigned char digits[6]
bool wifi
unsigned char data
unsigned char keys[10]
int keyCount
void setup()
pinMode(A0 INPUT)
pinMode(A1 INPUT)
pinMode(DHTPIN INPUT_PULLUP)
pinMode(Vout OUTPUT)
pinMode(Cout OUTPUT)
pinMode(Tout OUTPUT)
pinMode(Hout OUTPUT)
Serialbegin(115200)
esp8266begin(115200)
dhtbegin()
lcdbegin(20 4)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
73
lcdprint( Conecting to )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( WiFi network )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( please wait )
delay(5000)
wifiStart()
EEPROMget(0 Vmin)
EEPROMget(5 Vmax)
EEPROMget(10 Cmin)
EEPROMget(15 Cmax)
EEPROMget(20 Tmin)
EEPROMget(25 Tmax)
EEPROMget(30 Hmin)
EEPROMget(35 Hmax)
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
sendTime = -sendPeriod
measureTime = -measurePeriod
74
void wifiStart()
while (esp8266available() gt 0)
data = esp8266read()
sendCommand(AT+RST 1 ready) reset module
sendCommand(AT 5 OK)
sendCommand(AT+CWMODE=1 5 OK)
sendCommand(AT+CWJAP= + AP + + PASS + 20 OK)
if (found)
wifi = 1
else
wifi = 0
void loop()
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
programV()
programC()
programT()
programH()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Battery Monitor )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( WF Alarms )
lcdsetCursor(0 2)
lcdprint( V 000V C 000A )
75
lcdsetCursor(0 3)
lcdprint( T 000C H 000 )
measureTime = -measurePeriod
if (millis() gt measureTime + measurePeriod)
measureTime = millis()
getSensorsData()
lcdsetCursor(4 1)
if (wifi)
lcdprint(ON )
else
lcdprint(OFF)
Valarm = 0
if (Voltage lt Vmin)
Valarm = -2
if (Voltage gt Vmax)
Valarm = 2
Calarm = 0
if (Current lt Cmin)
Calarm = -2
if (Current gt Cmax)
Calarm = 2
Talarm = 0
76
if (Temperature lt Tmin)
Talarm = -2
if (Temperature gt Tmax)
Talarm = 2
Halarm = 0
if (Humidity lt Hmin)
Halarm = -2
if (Humidity gt Hmax)
Halarm = 2
lcdsetCursor(15 1)
switch (Valarm)
case -2
lcdprint(v)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Vout LOW)
break
case 2
lcdprint(V)
digitalWrite(Vout HIGH)
break
switch (Calarm)
case -2
lcdprint(c)
77
digitalWrite(Cout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Cout LOW)
break
case 2
lcdprint(C)
digitalWrite(Cout HIGH)
break
switch (Talarm)
case -2
lcdprint(t)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Tout LOW)
break
case 2
lcdprint(T)
digitalWrite(Tout HIGH)
break
switch (Halarm)
case -2
lcdprint(h)
digitalWrite(Hout HIGH)
78
break
case 0
lcdprint( )
digitalWrite(Hout LOW)
break
case 2
lcdprint(H)
digitalWrite(Hout HIGH)
break
decompose(Voltage)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Current)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
decompose(Temperature)
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
79
decompose(Humidity)
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdwrite()
lcdwrite(digits[0])
if (millis() gt sendTime + sendPeriod)
sendTime = millis()
sendData()
void decompose(int number)
int j
digits[0] = 0
digits[1] = 0
for (j = 2 j lt 6 j++)
digits[j] =
number = 10
for (j = 0 j lt 6 j++)
if (number gt 0)
digits[j] = (number 10) + 0
number = 10
80
void clearKeys()
int j
for (j = 0 j lt 6 j++)
keys[j] =
void programV()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Voltage Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Vmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Vmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
81
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Vmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Vmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(0 Vmin)
EEPROMput(5 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
82
keyCount++
Key = 0
void programC()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Current Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Cmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Cmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
83
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Cmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Cmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(10 Cmin)
EEPROMput(15 Cmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
84
Key = 0
void programT()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Temperature Limits)
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Tmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Tmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
85
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
if (Key == B)
Key = 0
return
if (Key == A)
Key = 0
clearKeys()
keyCount = 0
if (keyCount gt= 4)
if (Key == C)
Key = 0
Tmin = ((keys[0] - 0) 10 ) + (keys[1] - 0)
Tmax = ((keys[2] - 0) 10 ) + (keys[3] - 0)
EEPROMput(20 Vmin)
EEPROMput(25 Vmax)
clearKeys()
keyCount = 0
else
if ((Key gt= 0) amp (Key lt= 9))
keys[keyCount] = Key
keyCount++
Key = 0
86
void programH()
lcdclear()
lcdsetCursor(0 0)
lcdprint( Humidity Limits )
lcdsetCursor(0 1)
lcdprint( Min Max )
clearKeys()
keyCount = 0
while (1)
decompose(Hmin)
lcdsetCursor(4 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
decompose(Hmax)
lcdsetCursor(14 2)
lcdwrite(digits[2])
lcdwrite(digits[1])
lcdsetCursor(4 3)
lcdwrite(keys[0])
lcdwrite(keys[1])
lcdsetCursor(14 3)
lcdwrite(keys[2])
lcdwrite(keys[3])
Key = customKeypadgetKey()
void getSensorsData()
Voltage = analogRead(A0)
87
delay(20)
Voltage = analogRead(A0)
Voltage = 5
Voltage = 1024
Voltage = Vfactor
Current = analogRead(A1)
delay(20)
Current = analogRead(A1)
Current = 5
Current = 1024
Current -=25
Current = Cfactor
sensors_event_t event
dhttemperature()getEvent(ampevent)
Temperature = eventtemperature
dhthumidity()getEvent(ampevent)
Humidity = eventrelative_humidity
Serialprint(Volts )
Serialprint(Voltage)
Serialprint( Amps )
Serialprintln(Current)
void sendData()
getData = GET updateapi_key= + API + amp + field + = +
String(valSensor)
getData += ampfield1= + String(Voltage)
getData += ampfield2= + String(Current)
getData += ampfield3= + String(Temperature)
getData += ampfield4= + String(Humidity)
88
getData += ampfield5= + String(Valarm)
getData += ampfield6= + String(Calarm)
getData += ampfield7= + String(Talarm)
getData += ampfield8= + String(Halarm)
sendCommand(AT+CIPMUX=1 5 OK)
sendCommand(AT+CIPSTART=0TCP + HOST + + PORT 15 OK)
sendCommand(AT+CIPSEND=0 + String(getDatalength() + 4) 4 gt)
esp8266println(getData) delay(1500) countTrueCommand++
sendCommand(AT+CIPCLOSE=0 5 OK)
89
Sensor de
Temperatura y
Humedad DHT 22
Bateriacutea de 12
Voltios a 12Ah
Diodo
Rectificador
IN6098
Inversor de Tensioacuten DCAC
de 300 Watt
Fuente Energiacutea
ACDC de
800Watt
SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE
BATERIacuteAS BASADO EN
MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
UTILIZANDO INTERNET DE LAS COSAS
Voltaje de entrada DC de al
modulo
Corriente de
entrada DC
de al modulo
Bornera de
conexiones
Carga Criacutetica
Soportada por el
Sistema
Diagrama 9Diagrama de bloques del sistema de control de Banco de Bateriacutea (Fuente propia)
90
312 Funcionamiento del Sistema
Para alimentacioacuten del prototipo se hace uso de una fuente de alimentacioacuten del tipo
Conmutada de 800w el cual se utiliza en las Pc Que cuentan con voltajes de
alimentacioacuten de 5Volt14Amp - 12Volt14Amp para esto alimenta el moacutedulo de monitoreo
de bateriacutea Esta fuente de alimentacioacuten estaacute conectado directamente al Inversor de
tensioacuten DCAC de 300w y en paralelo a la Bateriacutea de 12 Voltios12Ah Cuando no hay
alimentacioacuten de tensioacuten continua proveniente de la fuente de alimentacioacuten DC quien
asume la carga de consumo del Inversor es la bateriacutea de 12 Voltios Los paraacutemetros de
corriente y tensioacuten son tomados por el sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas
313 Descripcioacuten de las etapas de la maqueta
31314 Fuente de energiacutea DCAC
En un equipos conformado por dispositivos electroacutenicos activos (diodos transistores e
integrados) y pasivos (resistencia condensadores electroliacutetico e ceraacutemicos Bobinas)
Para poder transformar la tensioacuten eleacutectrica alterna en una tensioacuten continua y poder ser
utilizado en aplicaciones electroacutenicas Las Fuentes de alimentacioacuten pueden ser del tipo
lineal o regulable que se basan en la utilizacioacuten de un transformador reductor de tensioacuten
formado por un entrehierro diodos rectificadores en configuraciones de media onda
Onda Completa y Tipo Puente capacitores electroliacuteticos y un regulador de Tensioacuten para
su salida estas fuentes son maacutes robustas y pesadas a su vez
Figura 45Diagrama de Bloques de una Fuente de alimentacioacuten Regulable (Fuente httptecnologiademantenimientoblogspotcom)
91
Otras tipos de fuentes pueden ser del tipo conmutadas que se basan en la oscilacioacuten de
transformadores de alta frecuencia para poder reducir el voltaje de salida mediante una
electroacutenica de control retroalimentada para poder obtener un mejor rendimiento Son
maacutes delicadas a los cambio de variacioacuten de Voltaje en la liacutenea de red y generan un mayor
nivel de armoacutenicos a la red eleacutectrica
Diagrama 10Diagrama en bloques de una fuente de alimentacioacuten conmutada (Referencia httpsvicentferrercom - Fuentes de alimentacioacuten)
31315 Bateriacutea de Plomo acido
Es un acumulador de energiacutea que se basa en una o maacutes celdas electroquiacutemicas que
pueden convertir la energiacutea quiacutemica almacenada en corriente continua Cada celda
consta de un electrodo positivo y un electrodo negativo por medio de electrolitos (aacutecido
sulfuacuterico) que permiten que los iones se muevan entre los electrodos permitiendo que
fluya una corriente eleacutectrica cuando se aplica un carga resistiva entre sus extremos
Este elemento proporcionara energiacutea al sistema conjuntamente con la fuente de energiacutea
DC
92
Figura 46 Bateriacutea de plomo Acido marca Ritar de 12 Voltios 12Ah (Fuente propia)
31316 Inversor de tensioacuten DCAC
Es un equipo electroacutenico que tiene como funcioacuten convertir la tensioacuten continua en una
tensioacuten alterna mediante el flujo de la corriente continua cambie de direccioacuten de forma
perioacutedica hacieacutendola similar a la corriente alterna El inversor ademaacutes emplea una serie
de filtros para hacer que estos cambios de direccioacuten sean suaves y regulares de forma
que la energiacutea eleacutectrica resultante puede ser usada en la mayoriacutea de dispositivos
eleacutectricos domeacutesticos En nuestro caso hacemos uso de este equipo para poder
demostrar el consumo de la bateriacutea y poder medir sus diferentes variaciones durante su
funcionamiento
93
Figura 47Inversor de tensioacuten DCAC de 300Watt
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
31317 Diodo Rectificador IN6098
En la aplicacioacuten de este sistema hacemos uso de un diodo rectificador IN6098 de 50
Amperios seguacuten Datasheet En la salida de la fuente de alimentacioacuten de ACDC que
estaacute alimentando el inversor de tensioacuten DCAC y a su vez la bateriacutea de 12 Voltios
Cuando la fuente de alimentacioacuten se encuentra apagada (simulando un corte de energiacutea
comercial) la bateriacutea asumiraacute la carga del inversor pero para que no exista retorno de
tensioacuten a la fuente de alimentacioacuten se aplica este diodo rectificador en unos de las liacuteneas
de alimentacioacuten en este caso se aplicoacute en el cable positivo de la fuente
94
Figura 48Diodo rectificador IN6098
Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo
Tabla 10Caracteriacutesticas teacutecnicas del Diodo Rectificador IN6098 (Fuente httppdfdatasheetcatalognetdatasheetirf1n6098pdf)
95
31318 Diagrama esquemaacutetico del sistema electroacutenico
El diagrama esquemaacutetico se decidioacute realizar en el programa de disentildeo de circuito
eleacutectrico Proteus 8 y disentildeo de la placa PCB en Eagle
Diagrama 11Diagrama esquemaacutetico del Circuito electroacutenicos del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Eagle)
96
Diagrama 12 Diagrama de Moacutedulos en Proteus 80 del Sistema de monitoreo de Bancos de bateriacuteas (Disentildeo Propio en Proteus 8)
97
31319 Trabajo final del Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560
En la fotografiacutea podemos ver el trabajo final el proyecto con sus respectivos moacutedulos que
conforman este sistema
Figura 49Maqueta completa del sistema de monitoreo de banco de Bateriacutea
(Fuente propia de la ejecucioacuten del trabajo)
A continuacioacuten se describe de la siguiente Manera
A Bateriacutea de plomo acido de 12 Voltios 12Ah
B Diodo rectificador IN6098 (retorno de voltaje a la Fuente)
C Fuente de energiacutea ACDC
D Inversor de tensioacuten DCAC de 300W
E Moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacutea
A
B
E
C D
98
31320 Descripcioacuten del moacutedulo del sistema de monitoreo de bancos de
bateriacutea basado en microcontrolador ATmega 2560
Figura 50Modulo de Wi-fi ESP 8266 (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 51Modulo regulador de voltaje lm 2596 DC-DC (fuente propia de la elaboracioacuten del proyecto)
Figura 52Modulo de corriente Hall ACS 715 (Fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
99
Figura 53Divisor de tensioacuten-para la lectura de Voltaje de la bateriacutea
(fuentepropia de la elaboracion del proyecto)
Figura 54Modulos de relays de alarmas del sistema
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
Figura 55Sensor de humedad y temperatura DTH22
Fuentepropia de la elaboracion del proyecto
100
314 Diagrama de Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas
Diagrama 13Diagrama en Bloques del Sistema de monitoreo de Bancos de Bateriacuteas (Fuente de elaboracioacuten propia)
Fuente de
alimentacioacuten
DC
Temperatura de
Banco
Voltaje de
banco
Corriente de
Banco
Humedad
Relativa de Sala
Microcontrolador
ATMEGA 2560
Pantalla LCD de 32X2 para la
visualizacioacuten de los paraacutemetros
del Banco de bateriacutea
Tarjeta de
Wifi ESP
8266
Banco de Bateriacuteas de 24
celdas
Equipo enlazado
a la plataforma
Web Thing Speak
Plataforma
Web Thing
Speak
101
Para fines de pruebas del prototipo se va a utilizar una tensioacuten de alimentacioacuten de
12 Voltios Dc
Especificaciones de las siguientes magnitudes fiacutesicas a censar
A Temperatura del Banco de Bateriacutea
El intervalo de temperatura que trabaja los sensores seraacuten
Temperatura de alarma normal 24deg
Temperatura de alarma observacioacuten 27 degC
Temperatura de alarma Mayor 35 degC
B Voltaje de Banco de Bateriacutea
Voltaje de alarma Menor 10 Voltios
Voltaje de alarma Mayor 18 Voltios
C Corriente del banco de Bateriacutea
Corriente de alarma Menor 0 Amperios
Corriente de alarma Mayor 20 Amperios
D Humedad Relativa del Banco de Bateriacutea
Humedad de alarma Menor 10 Rh
Humedad de alarma Mayor 100 Rh
102
24 CAPIacuteTULO 4
25 RESULTADOS
26 Resultados Generales
41 Anaacutelisis de Datos obtenidos del Proyecto
411 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios
En la ejecucioacuten del proyecto se llevoacute a prueba el funcionamiento de este sistema de
monitoreo que conllevo a poder ver su eficiencia la autonomiacutea con diferentes cargas el
tiempo de recuperacioacuten o recarga la temperatura y Humedad de trabajo Esto valores
fueron tomados en diferentes tiempos con diferentes cargas y medidos por el moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea y comparados con instrumento de medicioacuten Pinza
Amperimeacutetrica Fluke 376 y Multiacutemetro digital Fluke 87V para poder hacer las
comparaciones de exactitud y precisioacuten
Tabla 11 Tabla de descarga de bateriacutea con una carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 1234 45 12 5 215
2 1229 45 12 5 217
3 1228 45 12 3 220
4 1227 45 12 4 220
5 1226 45 12 5 220
6 1225 45 12 5 219
7 1224 45 12 5 220
8 1223 45 12 5 219
9 1223 45 12 5 220
10 1222 45 12 5 219
11 1221 45 12 5 220
12 122 45 12 5 220
13 1219 45 12 4 220
14 1218 45 12 4 219
15 1218 45 12 4 220
16 1217 45 12 4 219
17 1216 45 12 4 219
18 1215 45 12 5 219
19 1214 45 12 5 219
20 1213 45 12 5 219
Bateria Plomo Acido Monitor de BB (T 25degCRh 73)
Ventilador de Pie 45W220Volt
103
En la Tabla 5 podemos ver las lecturas de medicioacuten del moacutedulo de monitoreo de
bancos de bateriacuteas en voltaje y corriente Vs las tomas de lectura de voltaje y
corriente hechas con los instrumentos Fluke durante un tiempo de 20 minutos A su
vez tenemos una temperatura de 25degC y una humedad de 71
Figura 56 Tomas de lecturas con el Modulo de monitoreo de bateriacuteas (Fuente propia)
Como podemos ver en la figura 40 tenemos una tensioacuten de 11 voltios y corriente 5
amperios en Dc en comparacioacuten con los instrumentos en la figura 41 se tiene una
tensioacuten de 1205 y una corriente de 45 Amperios en Dc
Figura 57Tomas de lecturas de tensioacuten y corriente con los instrumentos de Medicioacuten Fluke (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
104
Tabla 12Tabla del tiempo de recuperacioacuten de la Bateriacutea y carga de rectificador con la carga de Ventilador de 45w 220Vac (Fuente propia)
En la tabla 6 podemos ver el tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea cuando estaacute en
funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga conectada al sistema El
cual se muestra un intervalo de 1257 a 1287 Voltios Dc seguacuten la tabla mostrada La
recuperacioacuten de la bateriacutea de Plomo acido
Figura 58Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente con los instrumentos de medicioacuten Fluke (Proceso de recuperacioacuten de la bateriacutea de plomo) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1257 24 13 12 34 221 48
2 1273 13 13 11 34 221 48
3 1278 1 13 1 34 221 46
4 128 09 13 0 34 221 46
5 1281 07 13 0 34 221 45
6 1282 08 13 0 34 221 45
7 1283 06 13 0 34 221 42
8 1284 06 13 0 34 221 43
9 1285 04 13 0 35 221 44
10 1286 04 13 0 38 221 46
11 1286 04 13 0 38 221 45
12 1287 03 13 0 37 221 44
13 1287 04 13 0 32 221 45
14 1287 03 13 0 32 221 44
15 1287 02 13 0 32 221 45
16 1287 01 13 0 32 221 44
17 1287 01 13 0 32 221 45
18 1287 01 13 0 32 221 44
19 1287 01 13 0 32 221 44
20 1287 01 13 0 32 221 44
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
Ventilador de Pie 45W220Volt
105
En la figura 42 se puede ver los instrumentos de medicioacuten Fluke en corriente 02
amperios y tensioacuten 1286 voltios comparados con el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea de
la figura 43
Figura 59Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente propia)
Figura 60 Graficas de comportamiento del sistema de monitoreo de bateriacutea mediante la plataforma Thing Speak (fuente propia)
106
42 Prueba del sistema con un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop
Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea)
En esta prueba se realizoacute con la suma de 2 cargas conectadas al sistema el cual hace un
total de 110 Watts como se muestra en la tabla 7 en donde podemos ver que el voltaje
Dc decrece su valor conforme pasa los minutos pero sin tener una peacuterdida de voltaje Ac
en la salida del inversor de 300 watts Tambieacuten podemos ver que el consumo de corriente
de 8 Amperios y la tensioacuten 12 voltios que es tomado por el moacutedulo de monitoreo de
bateriacuteas se mantiene por un tiempo apreciable En comparacioacuten con los instrumento de
medicioacuten Fluke no se encuentra tan alejado su resolucioacuten y exactitud que se tiene una
lecturas de voltaje 122 (valor maacuteximo) a 1182 (valor miacutenimo) y corriente Dc 94
amperios (valor maacuteximo) a 7 amperios (valor miacutenimo) como se puede mostrar en Tabla 7
Tabla 13Tabla de descarga de bateriacutea como carga un Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateriacutea) (Fuente propia)
Autonomia Salida del Inversor
MinutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Voltaje AC
(Fluke 87V)
1 122 94 12 8 218
2 1219 84 12 8 218
3 1217 83 12 8 218
4 1214 83 12 8 218
5 121 81 11 8 218
6 1208 81 11 8 218
7 1204 79 11 8 218
8 1203 78 11 8 218
9 1198 76 11 7 218
10 1197 76 11 8 218
11 1196 75 11 7 218
12 1197 7 11 7 218
13 1196 7 11 7 218
14 1193 69 11 7 218
15 1192 7 11 7 218
16 119 69 11 7 218
17 1188 69 11 7 218
18 1187 68 11 7 218
19 1185 69 11 7 218
20 1182 7 11 7 218
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt
Bateria Plomo Acido monitor de BB T 25degCRh 71
107
Figura 61Tomas de paraacutemetros de Tensioacuten y corriente de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (Operatividad de la bateriacutea) (Fuente propia)
Tabla 14 Tabla de tiempo de recuperacioacuten de la bateriacutea sin carga de Ventilador de Pie de 45 watts 220 Voltios y Laptop Toshiba 65W220Volt (con rectificador) (Fuente propia)
Autonomia Entrada del inversor Salida del Inversor Rectificador
minutosVoltaje DC
(Fluke 87V)
Corriente DC
(Fluke 376)Voltaje DC Corriente DC
Corriente DC
(Fluke 376)
Voltaje DC
(CIE 122)
Corriente DC
(Fluke 376)
1 1252 46 13 2 08 222 49
2 1272 32 13 2 08 222 47
3 1277 24 13 2 08 222 42
4 1276 39 13 2 08 222 39
5 1281 39 13 2 08 223 37
6 1283 36 13 2 08 222 34
7 1284 2 13 2 08 222 34
8 1285 2 13 1 08 222 32
9 1286 19 13 1 08 222 34
10 1286 19 13 1 07 222 33
11 1287 18 13 1 07 222 33
12 1287 16 13 1 07 222 31
13 1288 17 13 1 07 222 31
14 1289 17 13 1 07 222 31
15 129 17 13 1 07 222 3
16 129 16 13 1 07 222 29
17 1291 15 13 1 06 222 29
18 1292 14 13 1 08 222 28
19 1293 13 13 1 08 222 27
20 1294 13 13 1 06 222 27
21 1294 12 13 0 06 222 21
22 1295 17 13 0 03 222 2
23 1295 15 13 0 04 222 2
24 1296 16 13 0 03 222 2
25 1297 15 13 0 04 222 19
26 1296 15 13 0 03 222 19
27 1297 15 13 0 03 222 17
28 1298 15 13 0 03 222 19
29 1298 14 13 0 04 222 19
30 1298 14 13 0 03 222 18
31 1299 13 13 0 03 222 18
32 1299 12 13 0 04 222 17
Laptop Toshiba 65W220Volt (con bateria) Ventilador de Pie 45W220Volt (sin la carga)
Bateria Plomo Acido monitor BB (T 25degCRh 72)
108
Como se muestra en la tabla 8 vemos la variacioacuten que existe en voltaje y corriente
cuando estaacute en funcionamiento la fuente de alimentacioacuten ACDC y con la carga
conectada al sistema Se puede mostrar en la figura
Figura 62Tomas de lecturas del voltaje y la corriente de recuperacioacuten de la bateriacutea con los instrumentos de medicioacuten Fluke y tensioacuten de Salida Ac del inversor (sin Carga) (Fuente propia)
Ahora podemos ver las lecturas tomadas por el moacutedulo de monitoreo de bateriacutea como
se pude ver en la figura 47 se muestra los valores de la humedad temperatura Voltaje
y Corriente
Figura 63Pantalla del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacutea-proceso de recuperacioacuten (Fuente ejecucioacuten propia)
109
43 Presupuesto en la fabricacioacuten del Proyecto
Para la fabricacioacuten del proyecto se presentoacute el presupuesto en base a los precios del
mercado actual
Tabla 15Presupuesto de materiales para la fabricacioacuten del moacutedulo de monitoreo de bateriacutea (Fuente ejecucioacuten propia)
MATERIALES Cantidad Precio Unit Importe
Gabinete de metalico con pintura antiestatica color negro de 27x23x8cm de espesor de 2mm 1 S4000 S4000
Mica plastica transparente de 27x23 a 3 mm 1 S500 S500
Bateria de 12 voltios a 12 Ah marca yuasa 1 S9000 S9000
Plataforma de madera de 45x56x20mm 1 S2000 S2000
Modulo Inversor de tension Dc de 300Watt 1 S8000 S8000
Cable AWG 2X22 similar 5 S350 S1750
Cable AWG 4X22 similar 5 S400 S2000
Modulo WI-FI ESP 8266 1 S5000 S5000
Teclado Matricial de 4X4 autodesivo 1 S1500 S1500
Espadines tipo Macho 3 S300 S900
Espadines tipo Hembra 3 S300 S900
Modulo rectif icador sw iching de 12Voltios10Amp 1 S2000 S2000
Arduino Atmega 2566 R3 1 S6000 S6000
Pantalla LCD de 4x20 1 S5000 S5000
Sensor Humedad y temperatura DHT 22 1 S1700 S1700
Sensor de corriente Hall ACS715 1 S1800 S1800
Moacutedulo LM2596 Convertidor de Voltaje DC-DC Buck 125V-35V 2 S1000 S2000
Relay de 12 Volt a 10Amp 4 S500 S2000
Cables f lex de 20cm (paquete de 20 cables) 1 S600 S600
Dispositivos electronicos (resistenciadiodos potenciometro Tripode 6 borneras de placa) 1 S2000 S2000
Miselanios (Tornillos autoroscantes cintilos presestopas cinta Aislante) 1 S2000 S2000
MANO DE OBRA Cantidad Precio Unit Costo
Disentildeo y fabricacion de placa impresa en Fibra de Vidrio de 15x20 cm 1 S20000 S20000
Armado del prototipo en placa impresaadecucion y pruebas del proyecto en una maqueta de pruebas para ver
su funcionalidad del Prototipo 1 S20000 S20000
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
Total
MaterialesS60650
Total M de
ObraS40000
Total S100650
PRESUPUESTO DEL SISTEMA MONITOREO DE BANCOS DE BATERIacuteAS BASADO EN MICROCONTROLADOR ATMEGA 2560
110
44 Gastos Activos Fijos del Proyecto
Para el desarrollo del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas tanto la mano de obra directa
como los gastos activos fijos relacionados con la investigacioacuten disentildeo y construccioacuten
respectivamente
Tabla 16 Presupuesto de suministros herramientas e Instrumentos usados en la fabricacioacuten del Moacutedulo de monitoreo de Bateriacuteas (Fuente ejecucioacuten propia)
Suministros Cantidad unidad Precio Unit Importe
Computadora portaacutetil Toshiba core i 5 cuarta generacioacuten 1 unidad S150000 S1500
Tornillos auto perforantes de 12-34 2 docena S300 S600
Cinta aislante 3M 1 unidad S250 S250
cable de Fuente de alimentacioacuten 1 unidad S400 S400
lijas de madera Numero 80 4 unidad S120 S480
Cintillos de 10 cm 1 ciento S450 S450
Tubos de termo retraacutectil de 5mm2mm15mm 3 metro S120 S360
Barras de silicona 4 unidad S100 S400
Tarugo plaacutesticos de 6mm 3 docena S300 S900
Pasta de soldadura 1 unidad S400 S400
estantildeo para soldar 1 unidad S150 S150
Tornillos autoroscantes de 1 12 1 ciento S500 S500
HERRAMIENTAS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Alicate de corte alicate de punta universal 1 unidad S20000 S20000
Taladro inalaacutembrico Milw aukee 1 unidad S50000 S50000
Cautiacuten eleacutectrico de 30 Watt Good 1 unidad S4500 S4500
pistola de silicona caliente de 25w 1 unidad S2000 S2000
Pistola de calor Takema 2000w 1 unidad S5000 S5000
Juego de Brocas de madera y metal 1 unidad S4000 S4000
Sierra Caladora Dew alt de 500w 1 unidad S34000 S34000
desarmadores plano y estrella 2 unidad S500 S1000
Juego de palilleros Truper 1 unidad S2500 S2500
INSTRUMENTOS Cantidad unidad Precio Unit Costo
Pinza Amperimeacutetrica marca Fluke modelo 376 A 1 unid S180000 S180000
Multiacutemetro digital marca CIE 122 1 unid S17000 S17000
Multiacutemetro digital marca Fluke modelo 87V 1 unid S150000 S150000
Total
Suministro S154890
Total de
Herramienta S123000
Total
Instrumento S347000
Total S624890
Los montos incluyen el impuesto general a las ventas (18)
Producto opcionales pueden ser reemplazados por otro modelo
111
413 Cronograma de trabajo del Proyecto de Monitoreo de Bancos de Baterias
8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 29 30 31 1 2 3 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Planamiento y estructuracion del Proyecto
Sistema monitoreo de bancos de bateriacuteas basado en
microcontrolador ATmega 2560 util izando internet
de las cosas
Aprobacion del Proyect Charter
Investigacion Prelimilar del Proyecto
Recopilacion de informacion
Infome de avance 1
Analisis y disentildeo de Sistema electronico
Evaluacion del Sistema
Informe de Avance 2
Implementacion del modulo de baterias
Disentildeo e implementacion de la placa PCB
Informe de Avance 3
Ensamblado de los dispositivos electronicos en el
PCB
programacion y ensayos del modulo de baterias
Informe de Avance 4
Pruebas y mediciones del Sistema de Monitoreo
Informe de avance 5
Ajuste del Proyecto
Informe Final del Proyecto
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE MARZOACTIVIDADES PROGRAMADAS
Tabla 17Cronograma de trabajo del Proyecto de monitoreo de bancos de baterias
112
27 CONCLUCIONES
a Se logroacute la implementacioacuten de moacutedulo de monitoreo de bancos de bateriacuteas
mediante la simulacioacuten y disentildeo del diagrama esquemaacutetico en el programa
Proteus La ejecucioacuten del disentildeo del programa Eagle en donde se hizo la
construccioacuten de la placa impresa la distribucioacuten y rotulacioacuten de los componentes
electroacutenicos el ensamblado y pruebas dinaacutemica del equipo
b Se obtuvieron lecturas de los sensores de voltaje corriente humedad y
temperatura el cual se pudieron procesar por el microcontrolador ATmega 2560
mostrarse en el display de 32x2 para luego ser enviadas al moacutedulo ESP 8266
hacia a la plataforma Thing Speak
c Se realizaron las comparaciones de las lecturas de corriente y voltaje del moacutedulo
de monitoreo de bateriacutea con instrumentos de medicioacuten de la marca Fluke como
tambieacuten las lecturas de temperatura y humedad del ambiente Dando como
resultado un margen de error minoritario
d En la implementacioacuten de la maqueta funcional se pudo comprobar que por
efectos de las tensione de retorno de la bateriacutea con la fuente de alimentacioacuten Dc
se hizo la utilizacioacuten de un diodo rectificador de 50 Amperios IN 6098
e Para poder aumentar la autonomiacutea del sistema conectado a una carga prioritaria
es necesario aumentar en capacidad y cantidad de bateriacuteas acorde a la carga que
se tiene como tambieacuten la potencia del moacutedulo Inversor
113
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116
ANEXOS
Anexo 1Hoja de datos del diodo rectificador IN609
117
118
Anexo 2Hoja de datos del moacutedulo Arduino Atmega 2560
119
Anexo 3Hoja de datos de la bateriacutea de 12 voltios marca Ritar
30
