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Timestamp: 2017-03-29 17:37:09+00:00

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NavegarInteresesStay InformedCareerPersonal GrowthFiction & BiographiesHealth & FitnessLifestyleCultureNavegar porLibrosAudio librosNoticias & RevistasPartiturasExplorar todoSubirIniciar sesiónRegistrarseTREBALL DE FI DE CARRERATÍTOL DEL TFC: Estación meteorológica basada en una interfaz directa sensor-microcontrolador TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Sistemes de Telecomunicació AUTOR: Carlos Gutiérrez Fernández DIRECTOR: Josep Jordana Barnils DATA: 21 de Març de 2007 de Telecomunicació, especialitat
21th 2007
Overview In the present project a weather station that measures temperature. The microcontroller is programmed in C and the monitorization is made in LabView. relative humidity and atmospheric pressure has been designed and implemented. The low cost.Title: Weather station based on a direct interface sensor-microcontroller Author: Carlos Gutiérrez Fernández Director: Josep Jordana Barnils Date: March. The proposed system introduces a new method applicable to other fields. consumption and accuracy make this weather station be able to be the base for an alternative to other existing stations of domestic use in the market. The system is based on a direct interface sensor to microcontroller.
. as they could be the industry or the medicine. receiving the data by the port series.
........ INTRODUCCIÓN A LAS ESTACIONES METEOROLÓGICAS .................. Estaciones meteorológicas ....................1 5...................................1.................2 CCP en modo captura ...26 Presión ............................................................. Configuración para el sensor de temperatura .................18 Interrupciones RB0/INT y CCP ............................. DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO DE MEDIDA .............................................................................................................31
CAPÍTULO 6...............1........4 Temperatura .......................................5 2..........15 Configuración para el sensor de humedad relativa ........2....................................... SISTEMAS DE MEDIDA .......1 Distribución de los sensores en la placa de circuito impreso...........................................24
CAPÍTULO 5................ 3
1.................... 26
5............................1...........................2.... SENSORES E INSTRUMENTACIÓN ......................1 4....................................... 33
6.... Ejemplos reales ...........................................3......................................29 Instrumentación ...................... MAGNITUDES..........3
CAPÍTULO 2.....................................................21 4.................................................2 Esquema y componentes.................................................................................................................................. 5
2....................................16
CAPÍTULO 4..................................... 3.......... MONTAJE DE LA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO Y RESULTADOS .................................................................13 Configuración para el sensor de presión atmosférica ......3 Estaciones meteorológicas domésticas ....................................................................3 5.............. 1 OBJETIVOS .........................................................................................................1...............21 4.........................................................2...........................8 Nuevo sistema de medida.....................................
CAPÍTULO 3.....1............................................................................2 5..........................................................................................................ÍNDICE
INTRODUCCIÓN.................................................................................1 RB0/INT ...................................2......... 2 CAPÍTULO 1...27 Humedad.....................................................................1........................... 1............. 3..................2..............33
. Sistema convencional de medida ......................... Ejemplos teóricos.........................2............... 13
3................11
4............................ CONFIGURACIONES CON EL NUEVO SISTEMA.5 2........................
.......................................44 Coste y comparativa............................................ 52 ANEXOS ........2........................48
6..................6.......................................................................34 6.....................34 6.............................40 Caracterización de la estación meteorológica............................................................................ 55
.............2............3 Humedad relativa......... CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO....4
CAPÍTULO 7.....................................................2.........................................................................................2 Presión atmosférica ...2
Resultados experimentales .......................................................3 6..................................................................1 Temperatura ........................................37 6................................................... 50 BIBLIOGRAFÍA....................................................
Posteriormente se expone el nuevo sistema. la humedad. El sistema de medida se basa en un método distinto al utilizado habitualmente por la mayoría de estaciones comerciales de uso doméstico. basado en el acondicionamiento de los sensores mediante amplificadores operacionales.1
El clima juega un papel relevante en muchos aspectos de nuestra vida. sino proponer un nuevo método de medida y demostrar su efectividad. El objetivo de este trabajo es diseñar e implementar una estación meteorológica capaz de integrar en un único sistema la medida de las magnitudes: temperatura. puesto que la finalidad no es encontrar un sistema de medida óptimo. Los avances tecnológicos han permitido fabricar sensores electrónicos de dimensiones reducidas. presión atmosférica y humedad relativa. basado en una interfaz directa sensor-microcontrolador y la medida del tiempo de descarga de la tensión de un condensador.
. bajo coste y alta fiabilidad capaces de medir estos parámetros medioambientales de forma precisa. se describe brevemente el método convencional de medida. Para ejemplificar este nuevo sistema exponemos un instrumento de bajo coste. La combinación de tres de estos sensores junto a un sistema de adquisición de datos resume la propuesta de este trabajo. Se continúa con el montaje de circuitos de prueba para cada una de las tres magnitudes. en el cual influyen parámetros tales como la temperatura del aire. la presión atmosférica y la radiación. diseño sencillo y de carácter didáctico. La monitorización se presenta en el entorno de LabView a través de una conexión por cable entre el puerto serie y el microcontrolador. las modificaciones realizadas a fin de optimizar el funcionamiento y los costes y se presentan los resultados finales junto a las características de la estación meteorológica. Uno de ellos es el confort. En primer lugar. entre otros.
presión y humedad mediante una interfaz directa sensormicrocontrolador. 3. Analizar las características de la estación meteorológica y evaluar las medidas obtenidas. Adquirir los datos de la estación meteorológica mediante LabView.2
Estación meteorológica. 4.
. Programar en lenguaje C el microcontrolador PIC16F873 de Microchip para la obtención. 2. Diseñar e implementar sobre circuito impreso un sistema de medida de temperatura. Interfaz sensor -microcontrolador
Los objetivos que pretendemos conseguir en la realización del presente trabajo son: 1. cálculo y envío de los datos de cada sensor.
presión atmosférica. para medir la turbulencia atmosférica y la actividad de tormentas. Normalmente. velocidad del viento o insolación. una estación convencional muestra medidas de temperatura. como mares y desiertos. En ella encontramos las especificaciones técnicas de cada una y su precio aproximado. de forma que además de los datos anteriormente señalados se pueden recoger aquellos relativos a visibilidad y tiempo presente y pasado. Alternativamente. como radares. Además. la distribución irregular de estaciones meteorológicas y la falta de ellas en grandes regiones.
. Estos valores han servido de referencia en el momento de valorar los resultados de la estación que se presenta. perfiladores de viento y sistemas acústicos de sondeo de la estructura vertical de temperaturas.1 tenemos tres ejemplos de estaciones que podemos encontrar en el marcado. En la Tabla 1. estas y otras variables pueden obtenerse mediante el uso de globos sonda. En todo caso.
1. humedad relativa.1.
Además de complejas instalaciones para estudios a nivel internacional y las garitas meteorológicas de registro ambiental encontramos otro tipo de estaciones destinadas a fines domésticos. INTRODUCCIÓN A LAS ESTACIONES METEOROLÓGICAS
1. dificulta la introducción de los datos en modelos meteorológicos y complica las predicciones de mayor alcance temporal. La mayor parte de las estaciones meteorológicas están automatizadas (EMA) requiriendo únicamente un mantenimiento ocasional. Otras instalaciones meteorológicas menos comunes disponen de instrumental de sondeo remoto.3
CAPÍTULO 1. existen observatorios meteorológicos que sí cuentan con personal (observadores de meteorología). magnetismo ambiental u otras variables.2. Para la medida de variables en mares y océanos se utilizan sistemas especiales dispuestos en boyas meteorológicas.
Una estación meteorológica es una instalación destinada a medir y registrar regularmente diversas variables meteorológicas con la finalidad de hacer predicciones meteorológicas a partir de modelos numéricos o estudios climáticos. aunque para aplicaciones específicas pueden medir nubosidad.
1ºC ±1ºC ±1% ±3% ±0.1080] mb Resolución 0.5 x 2. Oregon Kestrel 4000 Scientific AVM .1% 1mb 1mb 8 pilas AA 2 pilas AAA 17 x 11 x 3 12.2 kPa [-40.+70] ºC [-29. Interfaz sensor -microcontrolador
Tabla 1.8 420 340 SKAYWATCH TCH GEOS
±0.40 WMR928NX Exactitud ±0.7 kPa ±0.6 215
Estación meteorológica.95] % [795.+85] ºC [0.1ºC 1% 1mb Bat.7 x 1.1100] mb 0.1 Características de estaciones domésticas comerciales.+70] ºC [25.3 kPa Margen de medida [-10. litio 3V 8 x 3.5ºC ±3% ±0.1ºC 1% 0.95] % [5.100] % [10.7 x 4.1ºC 0.1050] mb [870.
con ella. Mediante la relación entre los valores de impedancia Zi del sensor y los valores discretos de una cierta magnitud se obtiene una curva y. un sistema sencillo de medir cualquier tipo de magnitud es obtener su valor en función de las variaciones de impedancia del sensor. Como hemos comentado en el párrafo anterior necesitamos un sensor sensible a los cambios de temperatura.1.2)
. Esta clase de sensores consta de un conductor (platino. SISTEMAS DE MEDIDA
2.1. (2. Cada uno de estos sensores se ha diseñado para medir magnitudes físicas o químicas. Elegiremos una RTD (Resistance Temperatura Detector). otras formas de medida. Al modificarse estas propiedades la impedancia también varía. como en nuestro caso.
2. éste es el funcionamiento básico de muchos instrumentos de medida. Rt = R0 (1 + αT ) donde Rt es la resistencia en ohmios a una cierta temperatura expresada en ºC R0 es la resistencia en ohmios a 0 ºC α es el coeficiente de temperatura del conductor. su tecnología se basa en cambios de la resistencia eléctrica y de la constante dieléctrica que el material que los forma sufre al estar expuesto a algunas de estas magnitudes.5
CAPÍTULO 2. Por tanto. De hecho.1)
Gran parte de los sistemas convencionales utilizan estos principios para medir.
En el mercado encontramos diversas clases de sensores. Por este motivo es importante observar como funcionan y así poder pensar en mejoras o. En una gran parte de ellos.1.
Pongamos por ejemplo que nuestra intención es medir temperatura. cobre o níquel) que presenta variaciones de resistencia siguiendo la siguiente relación. una ecuación que los relaciona:
También comprobamos que el comportamiento del sensor coincide con el sistema explicado anteriormente. es que no.3)
Fig. La forma más sencilla y utilizada para este problema es colocando el sensor en serie junto a una resistencia de valor conocido y conectarlos a una fuente de tensión también conocida. por lo que lo más correcto es proceder a una calibración del sistema. Esta ecuación no es más que el comportamiento teórico del sensor.1Circuito básico con sensor resistivo
Esta configuración del circuito ejemplo sería la más sencilla. Además. como la utilización de puentes de resistencias a dos. es decir. Existen otros montajes que aportan mayor fiabilidad de resultados. ¿Es realmente así? La respuesta. Hay muchos factores que influyen en la ecuación final del instrumento que se pretende diseñar. aún debemos encontrar un modo de medir la resistencia del sensor. Todo ello debe de realizarse dentro del margen de temperatura de trabajo que decidamos para el sistema. la ecuación depende de dos variables: temperatura y resistencia del sensor. encontrando para cada valor de temperatura el valor real de resistencia. tres o cuatro hilos. obviamente.
(2. 2. el voltaje entre resistencia y sensor variará proporcionalmente con el valor resistivo del sensor. Se podría pensar que únicamente habría que encontrar el valor de resistencia a 0 ºC (Ro) y buscar el coeficiente de temperatura para nuestro sensor y ya tendríamos un instrumento capaz de medir temperatura. Al ser estos dos últimos valores constantes.6
Como vemos. a partir de un material sensible a la temperatura formulamos una ecuación que relaciona temperatura y resistencia.
el cual nos da la intensidad que circula. R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable. Si la relación de las dos resistencias R2/R1 es igual a la relación Rx/R3. De forma alternativa. indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro. 2. en caso de desequilibrio.2 Circuito de acondicionamiento para un sensor resistivo (Puente de Wheatstone)
Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio.
Fig. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el galvanómetro G. En condición de equilibrio siempre se cumple que:
(2. El valor del generador es indiferente y no afecta a la medida.2 vemos que Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar (sensor) y R1. La dirección de la corriente. el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. además la resistencia R2 es ajustable. el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos.7
En la Figura 2. la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el de ajustar a cero la corriente a través del medidor. si los valores de R1.4)
Si los valores de R1. R2 y R3 son resistencias de valores conocidos. R2 y R3 se conocen con mucha precisión.
4 vemos el esquema del montaje habitual para un sensor con acondicionamiento propio. Utiliza un microcontrolador para la conversión A/D.1. Se observan los tres sensores y su acondicionamiento mediante amplificadores operacionales. es decir.4 Esquema básico de acondicionamiento para sensor con tensión de salida proporcional a la temperatura
Fig.2. 2. conexión a PC y una pantalla LCD para visualizar las medidas
Fig.3 Esquema básico de una estación meteorológica real A continuación veremos acondicionamiento. Interfaz sensor -microcontrolador
Si en lugar de un galvanómetro colocamos un amplificador de señal.
2. memoria externa.8
Estación meteorológica. el instrumento de medida que pretendíamos.3 observamos el esquema básico de una estación meteorológica convencional. tendríamos una salida proporcional a la variación del sensor. algunos ejemplos de sensores y su
En la Figura 2. 2. proporcionando a la salida una tensión proporcional a la temperatura.
Su función consistiría en aportar la ganancia de 5 necesaria para ajustar la señal de salida del sensor al margen de entrada del conversor ADC (Figura 2.6) consta de un amplificador operacional configurado como no inversor.5) es uno de los más comunes en este tipo de sistemas.5] V es necesario amplificar la señal de salida del sensor. Los sensores de presión suelen ser de estas características.4). su valor variará en función de la presión que les apliquemos. Su señal de salida es proporcional a la temperatura en un factor de 10 mV/ºC. por tanto. Las resistencias R1. R3 y R4 forman el puente de resistencias interno del sensor. ajustándola a este margen y así aprovechar la resolución que permite el conversor. Como el margen dinámico del conversor analógico-digital es de [0. R2. La salida VOUT podrá conectarse a una etapa similar a la etapa de la Figura 2. La resistencia RPOT controlará la corriente que circulará por el sensor y la resistencia RNULL ajusta el nivel de offset del circuito. como el sensor SCC15AD2 (SenSym).6 Etapa de amplificación para el acondicionamiento del LM35 En la Figura 2.
.4.7 vemos el esquema del montaje habitual para un sensor de puente de resistencias.
Fig.5 Acondicionamiento del sensor LM35 Una posible etapa de acondicionamiento (Figura 2. 2. 2.9
El sensor LM35 (Figura 2.
2.8 Esquema básico de acondicionamiento para sensor capacitivo
El sensor que vemos representado en el esquema como un condensador variable es el sensor de humedad Humirel HS1101 (Figura 2. Al obtener la diferencia con el oscilador de referencia y filtrar paso-bajo tenemos a la salida un nivel de señal continua proporcional a la variación de humedad. Interfaz sensor -microcontrolador
Fig. 2. El amplificador de ganancia
Fig.8 vemos un esquema del acondicionamiento básico para un sensor capacitivo.
En el caso de un sensor capacitivo el acondicionamiento es más complejo. 2.
Fig.7 Esquema básico de acondicionamiento para sensor de puente de resistencias.9 Sensor Humirel HS-1101
El acondicionamiento consiste. en obtener la diferencia entre la señal de un oscilador de referencia y la señal de un oscilador aplicado al sensor.9). Al variar la capacidad del sensor proporcionalmente con la humedad varía también la fase de la señal. ambos a una frecuencia de 10 kHz (frecuencia recomendada por el fabricante). en primer lugar. En la Figura 2.
10 muestra la configuración básica para medir un sensor resistivo. Consiste en utilizar este reloj interno para obtener a partir del sensor una salida digital del sistema. Este método puede simplificarse utilizando microcontroladores con reloj interno. 2. Éstos y otros ejemplos similares vendrían a esquematizar el funcionamiento básico que hasta ahora se viene utilizando en sistemas de medición. como el amplificador de señal suponen un incremento importante en el coste final del producto.10 Configuración básica para la interfaz directa sensor-microcontrolador
La idea consiste en contabilizar el tiempo de carga (o descarga) del condensador a través de cada una de las resistencias manteniendo las otras en alta impedancia. La Figura 2. La idea es sencilla.
Los sensores resistivos son habitualmente acondicionados mediante la configuración del puente de resistencias de Wheatstone (Figura 2.2. que puede estar o no integrado en el microcontrolador. Tanto el conversor ADC.
G a la salida del filtro ajustará el valor de la señal al margen de entrada del conversor ADC. A continuación se explica un método alternativo entorno al cual se ha realizado el diseño e implementación de la estación meteorológica que se presenta en este trabajo. obteniendo así tX (tiempo que se necesita para cargar o descargar el condensador C a través de la resistencia desconocida Rx) y tP (tiempo que se necesita para cargar o descargar el condensador C a través de la resistencia conocida RP).2) e interconectados a un microcontrolador mediante los conversores analógicodigitales (ADC).
2. Como el nivel de la tensión de salida del puente es muy bajo éste debe ser amplificado antes de la digitalización.
Fig. como se contabiliza el tiempo de éstas y las distintas configuraciones que se han llevado a cabo para cada uno de los sensores. donde U es un ciclo de instrucción (no de reloj). En la Figura 2.12
Estación meteorológica. 2. Un bucle en el programa del microcontrolador se encarga de mantener el temporizador incrementándose mientras el condensador se descarga.5)
. tX = 1100 U. obtenemos que cada unidad U corresponde a 200 ns. por ejemplo. Al llegar al umbral de 1. como en nuestro caso. El número de ciclos de instrucciones transcurrido queda almacenado en una variable.11 podemos observar dos descargas de la tensión del condensador.6)
A continuación se explica con más detalle como se consiguen las cargas y descargas del condensador.8 V (VTL ) una interrupción externa se activa detectando un flanco de subida (o bajada) y detiene el bucle. Utilizando un clock de 20 MHz y habiendo 4 instrucciones por cada ciclo. Para medidas en un espacio corto de tiempo. la relación entre tX y tP únicamente depende de la relación entre las resistencias:
(2.11 Secuencia de dos medidas de descarga del condensador
De este modo. el tX será. Interfaz sensor -microcontrolador
La forma en que se miden estos tiempos es contabilizando ciclos de instrucción mediante el temporizador interno del microcontrolador (Timer1).
pues será el disparador de las interrupciones externas del microcontrolador para capturar el tiempo de descarga del condensador.0 V) y el resto de puertos en alta impedancia. A2 y A1 del micro han de estar en alta impedancia (HZ) y A5 con valor “0” lógico (0. 3.
. Los puertos A1. Para descargarlo por Rx bastará con poner el puerto A2 a “0” lógico y el resto de puertos en alta impedancia. pero añadiendo una resistencia más. habrá que poner el puerto A3 con un “1” lógico (5. mientras el puerto B0 es únicamente de entrada.
El sensor de temperatura que se ha utilizado es una RTD Pt1000. la configuración será similar a la expuesta en el apartado anterior (Figura 3.1). por ejemplo. A3 y A5 son puertos I/O. que es por donde se descarga C.0 V). A2.
Fig.1. Si queremos que el condensador se cargue a través.13
CAPÍTULO 3. de modo que queden todos los nodos en circuito abierto menos A5. de la resistencia RC2. los puertos A3. la configuración propuesta es idéntica a la de la Figura 2.1. Como se aprecia en la Figura 3. Éste es un sensor resistivo. CONFIGURACIONES CON EL NUEVO SISTEMA
3. La idea es la misma. En primer lugar el condensador ha de estar descargado. por tanto.1 Configuración de interfaz sensor-microcontrolador para sensor resistivo
La carga y descarga del condensador C se realiza a través de la configuración de los puertos del microcontrolador. por tanto.10.
En este caso hemos escogido que los tiempos t1. La Figura 3. 3. t2 y tx midan la descarga del condensador.2 Secuencia completa de cargas y descargas del condensador para sensor resistivo
medir el tiempo de carga o descarga del condensador C a través de cada una de las resistencias para conseguir una ecuación donde Rx únicamente dependa de valores conocidos.14
Estación meteorológica.2 muestra la secuencia que ha seguir el sistema de medida para obtener los distintos tiempos de descarga del condensador.
Si es demasiado pequeño la diferencia entre el tiempo de descarga del condensador de referencia y el sensor no será notoria y la medida será imprecisa. B3 y B4 se conectan en tres de los vértices del puente de resistencias mientras que en el cuarto conectamos el puerto B1.5 muestra la conexión del sensor con el microcontrolador.
El sensor que se ha utilizado para detectar cambios de presión es el SCC15AD2 (SenSym). Este sensor es un sensor resistivo configurado en puente de Wheatstone.
Los puertos B2. Si el tiempo de descarga es demasiado grande puede desbordar el temporizador del microcontrolador (veremos que en este caso es de 16 bits).
3. La Figura 3.
.5 Configuración de interfaz sensor-microcontrolador para el sensor basado en un puente de resistencias. 3. por donde se carga el condensador.15
(3. Es importante indicar que el valor del condensador C se escoje de modo que la constante de tiempo que forma con las resistencias y el sensor.1)
Donde RC1 y RC2 son las resistencias de calibración. se ajuste al rango del temporizador del microcontrolador y minimice el error de trigger. la cual determina su tiempo de descarga.
El sensor utilizado es el 2322 691 90001 (Vishay).
3. En este caso el condensador que ha de cargarse o descargarse será el propio sensor. Esto supone obtener tres tiempos de descarga (t1. por tanto el montaje.3 Configuración de interfaz sensor-microcontrolador para un sensor capacitivo
. aunque muy similar. el sistema a seguir es idéntico que en el caso anterior. una estimación lineal de estos valores será la base de nuestro barómetro.16
Estación meteorológica. 3.0 V) y manteniendo el resto en alta impedancia.3. A diferencia de los otros. como en los casos anteriores. Por tanto. que detecta la variación de humedad.
Fig. t2 y t3).3)
Cada valor de ‘Xi’ corresponderá un valor de presión.
(3. Con ellos construiremos una tabla y. correspondientes a la constante de tiempo del condensador y la resistencia equivalente del puente para cada caso. éste es un sensor capacitivo. sufre modificaciones que son expuestas a continuación. ya que internamente no es más que un condensador cuya capacidad varía en función de la humedad a la que esté expuesto. Interfaz sensor -microcontrolador
Las descargas del condensador se realizarán poniendo uno de estos puertos a “0” lógico (0. cambiando tan solo la secuencia de los puertos del PIC de modo que el sensor y un condensador de referencia vayan cargándose y descargándose a fin de obtener las medidas de tiempo. La ecuación que nos permitirá obtener información sobre la variación de presión vendrá dada por un valor que llamaremos ‘X’ y que estará determinado por una relación entre los tres tiempos medidos.
siendo tc el número de instrucciones en el tiempo de descarga por CC . se coloca una resistencia (R) por la que puedan descargarse el sensor (CX) y el condensador que utilizamos como referencia (CC). del mismo modo que lo hace el condensador C en las configuraciones de temperatura y presión.17
Como puede verse en la Figura 3.
.4 Secuencia completa de cargas y descargas del condensador para el sensor capacitivo
(3.3. 3. La secuencia que sigue este circuito es la siguiente:
Fig. El valor de R ajustará. tOFF es la medida de tiempo de descarga de las capacidades parásitas del sistema (tiempo de descarga de C con RB7 y RB6 en alta impedancia) y tx es el tiempo de descarga de Cx. el tiempo de descarga de CC y CX para evitar desbordamiento en la medida y determinar una constante de tiempo adecuada para minimizar el ruido de trigger.
Estación meteorológica.25 V a 25 ºC siempre que la tensión de entrada esté comprendida entre 8 y 25 V. Puede trabajar en un margen de temperaturas entre -20 a +150 ºC
Fig. 4.1 Esquema y componentes
El sistema se divide en 4 partes: interfaz directa sensor-microcontrolador.5 A. dando una corriente máxima de salida de 1. cálculo de variables (PIC16F873).
CAPÍTULO 4. comunicación serie y monitorización (LabView). 4.2 Regulador de tensión LM7805
. DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO DE MEDIDA
4.2) es un regulador de tensión que fija su tensión de salida a 5 V con un error máximo de 0.1 Esquema simplificado de la estación meteorológica
Los componentes que forman el circuito de la estación meteorológica son: Regulador de tensión El LM7805 (Figura 4.
0 uA entre -55 y +125 ºC.3) es un inversor con entrada de bajo ruido. Emisor/receptor El MAX233 (Figura 4. Se alimenta a 5 V. De esta forma se reduce el efecto del ruido de la alimentación en la tensión de descarga del condensador. al ser de entrada de bajo ruido. Se utilizan dos reguladores LM7805.4) es un emisor/receptor que comunica el microcontrolador con el PC a través del estándar RS-232 mediante puerto serie. deberemos programar el PIC para detectar uno de subida. Inversor El 74VHC14N (Figura 4.19
Como la fuente de alimentación que se utiliza para la estación es de 9 V y el margen de temperaturas es de -5 a +50 ºC comprobamos que el regulador se ajusta a nuestras necesidades. 4. Se alimenta a 5 V y trabaja entre -40 y +85 ºC
. mayor precisión al detectar las interrupciones por flanco de subida/baja en cada carga/descarga del condensador.
Fig. uno que alimenta el PIC16F873 y el inversor 74VHC14N y otro para alimentar el MAX233. Trabaja con voltajes entre 2 y 6 V con baja corriente de entrada a 1.3 Inversor 74VHC14N
El inversor nos proporcionará. El hecho de que coloquemos un inversor a la entrada del puerto de interrupción supone programar el PIC a la inversa en relación a los flancos: si queremos detectar un flanco de bajada.
5 Microcontrolador PIC16F873
Este microcontrolador se caracteriza por tener: • • • • • • • • Frecuencia máxima DC a 20MHz. la comunicación serie. 4. Comunicación serie. RX y CX al MAX233 que. A través de su puerto de comunicación enviará los valores de X. 3 Timers (utilizaremos el Timer1).
Fig. a su vez. B y C. permitirá la carga y descarga de los condensadores asociados a cada sensor.20
Estación meteorológica. los transmitirá al ordenador vía RS-232.
.4 Emisor/Receptor para conexión RS-232
Microcontrolador El PIC16F873 (Figura 4. la posibilidad de tener tres puertas de interrupción externa independientes han sido los factores decisivos para incluir este microcontrolador en el diseño. tres tipos de puertos I/O y. sobre todo. a través de sus puertos I/O y su reloj interno.
La frecuencia interna. 35 instrucciones. 4. 13 interrupciones (RB0/INT puede ser utilizado como interrupción externa). Puertos I/O A. 2 módulos CCP (Interrupciones en modo Capture). Memoria de programa FLASH de 4KB (palabras de 14bits).5) es el microcontrolador que.
El funcionamiento de las interrupciones es similar al de las subrutinas.
.2. Condensador poliéster metalizado Tolerancia: ±5% T [-55. Resistencias Disipación:0.00 ppm Tolerancia: 50. Así como las subrutinas se ejecutan cada vez que en el programa aparece una instrucción CALL.1
Las interrupciones constituyen un mecanismo importante para la conexión del microcontrolador con el mundo exterior. Una de ellas es la detección por interrupción externa RB0/INT y la otra a través del modo captura del microcontrolador.235]ºC Utilizadas para todas las resistencias excepto RC1. es decir.85] ºC Utilizado a la entrada de alimentación.C2 y desacoplo.1 Características de los otros componentes utilizados en el montaje de la estación meteorológica. .105] ºC
Utilizados para los condensadores C1. Condensador lenteja Tolerancia: ±5% T [-25.155] ºC Utilizadas para las resistencias RC1.85]ºC Utilizados para CC y desacoplo del oscilador.21
Otros componentes Tabla 4. Resistencias precisión Disipación:0. por un mecanismo hardware.RC2 y RS. Condensador electrolítico Tolerancia: ±20% T [-40.33 W Tolerancia: ±5% T [-55.25 W Tolerancia: ±1% T [-55.RC2 y RS. tanto del condensador C del circuito de temperatura y presión como del sensor capacitivo del circuito de humedad.00 ppm Utilizado para el oscilador en PIC16F873
4. Cristal 20 MHz Capacidad de carga: 30. sincronizando la ejecución de programas con acontecimientos externos. Esta detección se puede realizar de dos formas. las interrupciones se ponen en marcha al aparecer en cualquier instante un evento externo al programa.2
Una de las partes fundamentales del sistema es la detección de la descarga del condensador.00 pF Estabilidad de T: 100. de las cuales se diferencian principalmente en los procedimientos que las ponen en marcha.
. Consta de un registro de activación de peticiones (INTCON) y otro de selección de flancos (OPTION).6 muestra la conexión entre el condensador C. INTF = 1. La variable TCAP almacenará el valor de ciclos de instrucción. posibilita activar interrupciones. Para contar ciclos de instrucción utilizamos el temporizador Timer1 (TRM1) que nos proporciona el PIC. imposibilita activar interrupciones. el cual tiene un tamaño de 16 bits y actúa como contador. INTDEG = 1. Interfaz sensor -microcontrolador
En nuestro caso. flanco ascendente. se ha seleccionado flanco ascendente (INTDEG = 1). El bit INTDEG del registro OPTION selecciona el tipo de flanco: INTDEG = 0. flanco descendente.
Fig. la interrupción supondrá la captura del tiempo de descarga del condensador y los eventos externos que activarán la subrutina serán los flancos descendentes debidos a los cambios de tensión en el condensador en cada descarga. 4. La Figura 4. Inicialmente. el inversor y la puerta de interrupción RB0/INT del microcontrolador. El bit INTF del registro INTCON controla si es posible habilitar interrupciones: INTF = 0. Nosotros utilizamos la interrupción por activación del pin RB0/INT.6 Esquema de conexión inversor-microcontrolador-condensador para interrupción RB0/INT
Una forma sencilla de entender el funcionamiento de esta interrupción es a partir de una descripción secuencial que muestre todos los pasos que existen entre la detección del flanco descendente en el pin RB0/INT hasta la captura del número de ciclos de instrucción. El PIC16F873 tiene varios tipos de interrupciones posibles.22
Recordemos que entre el condensador y el pin de la interrupción hay un inversor. Automáticamente INTF =1 (desactiva cualquier otra posible interrupción). 8. de ahí que se configure así. El código es el siguiente:
enable_interrupts(INT_EXT). output_bit(PIN_A1. 3. Tcap=get_timer1(). 7. Inicializamos el TRM1. cuando en el pin RB0/INT detecte un flanco ascendente.0). Inicio de descarga del condensador. 1. Condensador cargado (pin RB0/INT a 5 V). creamos una función que será llamada en el momento de habilitarse la interrupción externa. Como vemos en el código. 9. 2.
Podemos ver el modo de empleo de la interrupción RB0/INT a través del código en C del programa. enable_interrupts(INT_EXT).8 V). la variable semafor cambiará de valor. es decir. }
enable_interrupts(INT_EXT). semafor=1. #ASM bucle1: btfsc espera /* Inicialización del Timer1 */ /* Variable que indica el fin del bucle ASM */ /* Descarga del condensador por RA1 */ /* Bucle en rutina ASM que da tiempo a la descarga */
. Las interrupciones son nuevamente habilitadas para la próxima descarga.23
La secuencia de actividades que realiza el microcontrolador es: 1. INTF = 0 (permite de nuevo la activación de interrupciones). Pin RB0/INT a VTL (aprox. Nueva carga del condensador. 4. finalizando así el bucle. 5. El PIC interpreta una petición de interrupción.intf). La variable Tcap tomará el valor del Timer1. /* Activación de interrupción externa */ enable_interrupts(global). 6. bit_clear(intcon. TCAP = TRM1. #int_ext ext_isr(){ semafor = 0. set_timer1(0). enable_interrupts(global).
. finalizando así el bucle y las interrupciones son nuevamente habilitadas para la próxima descarga. semafor = 0. creamos una función que será llamada en el momento de habilitarse la interrupción en modo captura. de ahí que se configure así.24
Estación meteorológica. El código es el siguiente:
#int_ccp2 void ccp2_isr(){ Tcap=CCP_2. Recordemos que entre el condensador y el pin de la interrupción hay un inversor. Explicamos el modo de empleo del modo captura a través del código en C del programa.2
En el modo captura una pareja de registros captura el valor del Timer1 cuando ocurre un evento especial en el pin RC2/CCP1 para el módulo CCP1 o en el pin RC1/T1OSI/CCP2 para el módulo CCP2. como se ha explicado anteriormente. Como vemos en el código. es decir. Los eventos posibles que pueden ocurrir sobre dichos pines son: • • • • Un flanco ascendente Un flanco descendente Cada 4 flancos ascendentes Cada 16 flancos ascendentes
En nuestro sistema nos interesa que el valor de Timer1 se registre tras un flanco descendente. la interrupción del módulo CCP1 queda desactivada y la del módulo CCP2 se activa en modo de flanco ascendente. enable_interrupts(global). la variable semafor cambiará de valor. En este caso.2. enable_interrupts(INT_CCP2). La variable Tcap tomará el valor del Timer1 almacenado en CCP2. Interfaz sensor -microcontrolador
Configuramos las interrupciones. cuando en el pin RC1/T1OSI/CCP2 detecte un flanco ascendente. ya que en ese momento el condensador se encuentra en descarga.
Vemos aquí la secuencia completa del programa principal.0). output_bit(PIN_B1. set_timer1(0).
enable_interrupts(INT_CCP2). /* Activación de interrupción externa */ enable_interrupts(global). semafor=1. setup_ccp2(CCP_CAPTURE_RE). #ASM Bucle2: btfsc espera goto bucle2 #ENDASM /* Inicialización del Timer1 */ /* Variable que indica el fin del bucle ASM */ /* Descarga del condensador por RB1 */ /* Bucle en rutina ASM que da tiempo a la descarga */
setup_ccp1(CCP_OFF).
está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura. la importancia de un sistema de este tipo da pie a que puedan abrirse nuevas líneas de investigación para todos estos campos basándose en el nuevo método que se ha presentado.15 = (º F − 32) / 1. la solubilidad. en los países anglosajones. SENSORES E INSTRUMENTACIÓN
5. Multitud de propiedades fisicoquímicas de materiales o sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren. Como vemos. ese sistema será el lugar donde coloquemos la estación meteorológica. el sistema de refrigerado interno de un PC) necesita de un subsistema capaz de medir temperatura.
. En el Sistema Internacional de Unidades. Sin embargo. líquido o sólido). la presión de vapor o la conductividad eléctrica. la escala Fahrenheit.
º C = K − 273. como puede ser el de edificios. Todo sistema de acondicionamiento térmico. El sensor que se ha escogido es una RTD Pt1000 (LabFacility).26
Estación meteorológica. además. la densidad. En nuestro caso. y. la unidad de temperatura es el kelvin.8
Fig. concretamente la escala Celsius (o centígrada). otras muchas utilidades. Interfaz sensor -microcontrolador
CAPÍTULO 5. Monitorizar dicha magnitud tiene. vehículos o maquinaria (por ejemplo.1 Sensor resistivo de temperatura Pt1000 (LabFacility). MAGNITUDES. Además es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.1)
Poder medir la temperatura y hacer un registro de resultados nos es útil en muchos aspectos. como por ejemplo su estado (gaseoso.1
La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema que caracteriza el calor. 5.
También se utiliza la unidad psi (1 psi = 68.5. Son dispositivos muy lineales en un gran rango de temperaturas. éste desciende.005t) α= 0. sensor resistivo de presión. 5.5 psi). un anticiclón térmico. Se forma entonces un ciclón o borrasca térmica. El sensor utilizado es el SCC15AD2 (SenSym) que vemos en la Figura 5.95 mbar) y atmosferas (1 atm = 14. asciende. de modo que cuando el aire está frío. Cuando el aire está caliente.85 /ºC (5.5 Sensor resistivo de presión SCC15AD2
Este tipo de sensor está formado por un puente de resistencias dispuesto de la siguiente manera (Figura 5.
Fig.3 ºC + 0. haciendo bajar la presión y provocando inestabilidad.2)
5. Se forma. haciendo aumentar la presión y provocando estabilidad. provocados por los movimientos del aire influyen directamente sobre la estabilidad meteorológica. aunque también son utilizados los bares (1 bar = 100. entonces. De ahí la importancia de incluir el barómetro en la estación. El sistema internacional define a los Newton por metro cuadrado (N/m2) o Pascal (Pa) como unidad de medida. Los cambios de presión.00385 º / /ºC Sensibilidad = 3.2
La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie terrestre. por lo que suele expresarse su variación como: R = R0 (1 + α (T − T0 )) Las características principales del sensor Pt1000 son: • • • • Rango de temperatura: -50 a +500 ºC Tolerancia: ± (0.000 Pa).27
Estos sensores deben su nombre al hecho de estar fabricados de platino (Pt) y presentar una resistencia de 1000 a 0 ºC.6):
aunque no sea una única resistencia variable (como en la RTD Pt1000) sino varias resistencias que varían su valor en función de la presión. diferentes valores de tiempo de descarga.30 psi (0 .7. 5. Interfaz sensor -microcontrolador
Fig. por tanto. Como se puede ver en la Figura 5. el sistema puede utilizarse del mismo modo. 5.28
Estación meteorológica.7 Conexionado del sensor SCC15AD2 con los puertos del PIC16F873
Las características principales del sensor SCC15AD2 son: • • • • • • Tensión máxima de trabajo: 12 V (DC) Rango de temperatura: 0 a 50 ºC (compensado) Tiempo de respuesta: 100 usec Resistencia nominal de salida: 4.
Fig. cada salida del sensor se conecta a un puerto del microcontrolador.1 k Presión de trabajo: 0 . De esta forma el puente de resistencias irá adquiriendo diferentes valores de su resistencia equivalente y.6 Circuito equivalente del sensor resistivo SCC15AD2
Anteriormente se ha dicho que el funcionamiento del nuevo método de medida en el caso de la presión era muy similar al de la temperatura. Viendo la figura podemos entender que.5 %
.2068. El condensador se irá descargando por cada puerto de forma secuencial. estando el resto de puertos en alta impedancia.5 mbar) Error de no linealidad: 0.
La humedad es la cantidad de vapor de agua existente en un gas. es decir.2 Sensor capacitivo de humedad 2322 691 90001 (Vishay)
Los sensores capacitivos como éste se componen de platos paralelos con electrodos porosos (Figura 5.2).3). El sensor utilizado es el 2322 691 90001 (Vishay) (Figura 5.3 Estructura interna del sensor de humedad
El material dieléctrico absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios de humedad. El parámetro que mide nuestra estación meteorológica es el de humedad relativa. Nuestra estación meteorológica medirá la humedad ambiental. de ahí que elijamos este parámetro para nuestra estación. el aire) y la presión de saturación del vapor.
Fig. La humedad relativa es un parámetro utilizado principalmente en aplicaciones ambientales (ejemplo: acondicionamiento de aire) o mediciones meteorológicas ya que impacta directamente en el confort humano. sensor capacitivo de humedad relativa. a una temperatura dada. La medición de la humedad relativa consiste en la relación entre la presión parcial del vapor de agua en el gas de que se trate (en este caso. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica
5. Por lo tanto la humedad relativa es función de la temperatura y se expresa en forma de porcentaje. mediremos la cantidad de vapor de agua existente en el aire.
Esto permite al vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la sencilla calibración del sensor. Interfaz sensor -microcontrolador
causa una variación en el valor de la capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que varía con la humedad. Los sensores capacitivos son apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de humedad.
. A valores de humedad superiores al 85% sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.5.4±0. El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios en la señal con la humedad.4 Capacidad típica del sensor Vishay en función de la humedad relativa.30
Fig.4 vemos la curva que relaciona la capacidad del sensor con la humedad relativa.05 pF/%RH Rango de humedad de trabajo: 10 a 90 %RH Tensión de alimentación: 5 V Capacidad nominal 43% RH: 122±15% pF Tiempo de respuesta (43 a 90 %RH): <5 s
En la Figura 5. Las características principales del sensor Vishay son: • • • • • • Temperatura de trabajo: -25 a 85 ºC Sensibilidad: 0. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30% corresponde a una variación de 0100% en la humedad relativa. donde proveen una respuesta relativamente rápida.
5 Controlador de temperatura 9102-S (Hart Scientific)
Rango de trabajo: -10 ºC a 122 ºC Estabilidad: ±0.05 ºC Precisión: ±0. A su vez. El sensor de presión se conecta a una bomba manual de aire a través de un tubo flexible.6 vemos el controlador de presión utilizado para obtener los valores de respuesta del sistema en el rango de 0 a 16 psi.6Controlador de presión P600 (Digitron)
Fig. 5. cuya temperatura es la que indica el display.5 vemos el controlador de temperatura utilizado para obtener los valores de respuesta del sistema en el rango de -10 a 50 ºC. presión y humedad hemos utilizado los siguientes instrumentos: Controlador de temperatura 9102-S (Hart Scientific) En la Figura 5.4
Para estudiar la respuesta de nuestro sistema a diferentes valores de temperatura.
Fig. El sensor de temperatura es introducido indistintamente por uno de los dos orificios. 5. ésta está conectada al controlador. de este modo podemos incrementar la presión sobre el sensor y monitorizarla en el display del controlador.
Estación meteorológica. La colocación de la sonda en el punto de medida nos permite visualizar la humedad relativa de ese punto en ese instante.7 Termohigrómetro DO-9406 con sonda HD 8501-S (Delta Ohm)
Rango de trabajo: 5% a 90% Precisión: ±2.7 vemos el medidor y la sonda de humedad relativa que hemos utilizado. 5.5 %RH Resolución: ±1 %RH (+4/-2 %RH en el rango de 90% a 98%)
. Exactitud: 0.05% FS (Full Scale)
Termohigrómetro DO-9406 y HD 8501-S (Delta Ohm) En la Figura 5. Interfaz sensor -microcontrolador
Rango de trabajo: 0 – 30 psi.
1 Distribución de los sensores de temperatura. MONTAJE DE LA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO Y RESULTADOS
La Figura 6. Se escoge un valor de resistencia del orden de M para que la constante de tiempo entre la capacidad del sensor. Limita la corriente en el puerto RA1 a 14 mA durante la descarga de C1 .1 muestra la distribución de los tres sensores indicando los valores de los condensadores y las resistencias de calibración utilizados en el montaje final. Se ha escogido el valor comercial más cercano al valor nominal del sensor de temperatura incrementado en un 30 %. del orden de pF. El valor de los componentes viene determinado por los siguientes criterios: • RC2. presión y humedad en los puertos del microcontrolador PIC16F873.000 lecturas del Timer1. RS.
CAPÍTULO 6. y la resistencia de descarga RS permita que la medida de tiempos sea del orden de 10. R0.
2.38 . El valor de tiempo real puede obtenerse multiplicando la medida de tiempo por 200 ns. El valor medio y la desviación estándar son: t Pt1000 = 14455.2 Resultados experimentales
Todas las medidas se han realizado en intervalos de 1 s excepto las medidas de presión.1
En el caso del diseño de medida de temperatura la resistencia RC1 ha sido suprimida por un cortocircuito.86 Ω y s ( RPt1000 ) = 0.
6.2 uF por el sensor Pt1000 a una temperatura de 25 ºC.
6. que se han realizado en intervalos de 100 ms. El valor medio y la desviación estándar son: R Pt1000 = 1095. el tiempo de descarga por RC1 se mantiene.3 y s(t ) Pt1000 = 3.000 lecturas del Timer1.432 Ω . y una línea en cortocircuito se obtienen idénticos resultados que con dos. pues aunque no hay resistencia sigue habiendo línea de conexión con el puerto A1.3 muestra el histograma de 100 valores de RPt1000 correspondientes a las Figura 6. Valor comercial más próximo al valor nominal del sensor de humedad. RC2 .1).2 y calculados utilizando (6.2 muestra el histograma de 100 medidas de tiempo (tPt1000) correspondiente a la descarga del condensador C=2. debido a que el calibrador de presión presentaba pérdidas a partir de 500 ms aproximadamente. La Figura 6. pues teórica y experimentalmente se ha comprobado que con una única resistencia de referencia.34
Estación meteorológica.1)
(6. se prescinde de una de ellas reduciendo así el coste final. La Figura 6.1).
. C1 y C2: Se escogen unos valores de capacidad del orden de uF y nF para C1 y C2 respectivamente para que la constante de tiempo entre la capacidad del sensor y la resistencia de los sensores de temperatura y presión permita que la medida de tiempos sea del orden de 10. Interfaz sensor -microcontrolador
CC. Por ello.
2 uF) en el circuito de Figura 6.3)
(6.4 muestra los resultados para el sensor Pt1000 en el rango de temperatura de [-10.2533 R(Ω ) − 252.2)
La Figura 6.21] ºC en intervalos de 0.6.6471
(6.2585 R(Ω ) − 258.1 ºC.1 cuando la temperatura en el sensor es de 25 ºC. La estimación lineal de estos puntos da como resultado la siguiente expresión:
T ª (º C ) = 0.2 Histograma de 100 lecturas del Timer1 cuando medimos el tiempo de descarga del condensador (C = 2.
. La estimación lineal de estos puntos da como resultado la siguiente expresión:
T ª (º C ) = 0.5 muestra los resultados para el sensor Pt1000 en el rango de temperatura de [20.50] ºC en intervalos de 5 ºC.35
1 cuando la temperatura en el sensor es de 25 ºC
Fig.3 Histograma de 100 valores discretos de resistencia RPt1000 calculados aplicando (6. Recta de ajuste por mínimos cuadrados de los valores obtenidos mediante (6.1) cuando medimos el tiempo de descarga del condensador C = 2.1) en función de la temperatura aplicada en el sensor Pt1000 para el rango [-10.1).4 Variación discreta de valores de resistencia RPt1000 calculada en (6.6.+50] ºC en intervalos de 5 ºC.2 uF en el circuito de Figura 6. Interfaz sensor -microcontrolador
Estación meteorológica.6.
20.5 Resistencia (Ohms) 1079 1078.1). por lo que podemos decir que el sistema no es muy ruidoso.3
20.5 Variación discreta de valores de resistencia RPt1000 calculada en (6.5 1078 1077.37
Curva de Calibración 1080.6.1 ºC (Figura 6.2 y 6. Este hecho supondrá perder exactitud en el sistema en el orden de las décimas de grado. indicándonos así que el sistema se comporta de forma lineal.2
(6.5).5 1076 20
20. El valor medio y la desviación estándar son:
.4 vemos que la recta de ajuste coincide mucho con los puntos medidos en intervalos de 5 ºC.
6. Recta de ajuste por mínimos cuadrados de los valores obtenidos mediante (6.2 como en la 6.5 1077 1076.1
20.1 ºC.6 Temperatura (ºC)
20.6 muestra el histograma de 100 medidas de tiempo (tSCC15AD2) correspondiente a la descarga del condensador C=470 nF por el sensor SCC15AD2 a una presión de 8 psi. En la Figura 6.7
Tanto en la Figura 6.2.4)
La Figura 6.4 20. También podemos ver que las ecuaciones que describen ambas rectas (Ecuaciones 6. pues la recta de ajuste no coincide de forma tan precisa con los valores medidos a intervalos de 5 ºC.9
Fig.3) no son idénticas. Esto no sucede cuando las medidas se realizan en intervalos de 0.5 20.5 1080 1079.+21] ºC en intervalos de 0.3 observamos poca dispersión en los valores obtenidos.1) en función de la temperatura aplicada en el sensor Pt1000 para el rango [+20.
tSCC15 AD 2 = 9555. El valor de tiempo real puede obtenerse
multiplicando la medida de tiempo por 200 ns.22
Fig. La estimación lineal de estos puntos da como resultado la siguiente expresión:
P ( psi ) = 1313.31 ⋅ X SCC15 AD 2 − 118.095969 y s ( X SCC15 AD 2 ) = 2.1 cuando la presión en el sensor es de 8 psi.
.6 y calculados utilizando (6. La Figura 6.16] psi en intervalos de 2 psi.4) cuando se le aplica al sensor 8 psi.7 muestra el histograma de 100 valores de XSCC15AD2 correspondientes a las Figura 6. La Figura 6.38
Estación meteorológica.6.62 .80 y s ( t ) SCC15 AD 2 = 2. El valor medio y la desviación estándar son: X SCC15 AD 2 = 0.8 muestra los resultados para el sensor SCC15AD2 en el rango de presión de [0.13 × 10−4 .6 Histograma de 100 lecturas del Timer1 cuando medimos el tiempo de descarga del condensador (C = 470 nF) en el circuito de Figura 6.
0965 Valor de X SCC15AD2
0.4) en función de la presión aplicada en el sensor SCC15AD2 para el rango [0. Recta de ajuste calculada con los mínimos cuadrados de los valores obtenidos mediante (6.1 cuando la presión en el sensor es de 8 psi.4) cuando medimos el tiempo de descarga del condensador C = 470 nF en el circuito de Figura 6.6.0975
0.6.8 Variación discreta de valores de la variable XSCC15AD2 calculada en (6.7 Histograma de 100 valores discretos de la variable XSCC15AD2 calculados aplicando (6.102
Curva de Calibración 0.0955 0.096 0.
0 0.4).095
0.16] psi psi en intervalos de 2 psi.09 0 2 4 6 8 10 Presión (psi) 12 14 16
Fig.098
Es importante destacar que.8 vemos que la recta de ajuste se aproxima bastante bien con los puntos medidos en intervalos de 2 psi.6)) y medimos la humedad relativa en el sensor en ese momento.3
(6. por tanto el sistema es más ruidoso que el módulo de temperatura.92 . Medimos con el sistema la humedad ambiente y obtenemos que el sensor tiene una capacidad de 132.6) encontramos B = -294.
.7 observamos algo de dispersión en los valores obtenidos. X el valor de capacidad del sensor que nos proporciona el sistema y B la constante de ajuste. por lo que la curva de calibración se obtiene a partir de las especificaciones del sensor. A partir de la sensibilidad de 0.40
Estación meteorológica.9 muestra el histograma de 100 medidas de tiempo (tVISHAY) correspondiente a la descarga del sensor Vishay a 36. El valor medio y la desviación estándar son: tVISHAY = 14548. de ahí que la pendiente sea la inversa de la sensibilidad.
La Figura 6. El valor de tiempo real puede obtenerse multiplicando la medida de tiempo por 200 ns. La curva de calibración teórica que utilizará el sistema para medir humedad relativa es:
% RH = 2.6 %RH.40 y s (t )VISHAY = 18. La recta que buscamos es de la forma: Y = AX + B.53. donde Y será el valor de humedad relativa que buscamos. A la pendiente de la recta. En la Figura 6. a diferencia de la medida de temperatura y presión. 36. que es 36.75. en el caso de la humedad no ha sido posible disponer de un calibrador de humedad. Con la pendiente de 2.6 y 6.5 %RH/pF).5 ⋅ C ( pF ) − 294. 2.4 pF/%RH obtenemos la pendiente (véase que buscamos humedad en función de capacidad.5 %RH/pF y el punto (132. es decir. Para encontrar la constante de ajuste B necesitamos un punto de la recta. Interfaz sensor -microcontrolador
En la Figura 6.53 pF (aplicando (6.75
(6. indicándonos así que el sistema se comporta de forma lineal.6 %RH (referencia obtenida con sonda HD-8501-S). como se explica a continuación.
La Figura 6.7).6.1 muestra los valores de capacidad de CVISHAY.3 pF y s ( C2 H ) = 0.
La Tabla 6.1 cuando la %RH en el sensor es de 36.53 pF y s ( CVISHAY ) = 0.
C1H = 130.9 Histograma de 100 lecturas del Timer1 cuando medimos el tiempo de descarga del sensor Vishay en el circuito de Figura 6. C 2 H = 171.6 %RH.76 pF y s ( C1H ) = 0.077 pF . aplicando (6.
Fig.6%.7). La Figura 6.12 muestra los resultados para el sensor Vishay en el rango de %RH de [0.6) en función de los valores reales medidos con el analizador de impedancias del laboratorio aplicando (6.264 pF . El valor medio y la desviación estándar son: CVISHAY = 132. C1H y C2H calculados con (6.6).100] aplicando (6.221 pF .10 muestra el histograma de 100 medidas de capacidad correspondiente a la descarga del sensor Vishay (de capacidad CVISHAY ) y dos condensadores de prueba C1H y C2H a 36.
1 Comparativa de capacidades reales del sensor y los condensadores de referencia a 36. Esta tabla debería haberse realizado con varios condensadores de valores comprendidos entre 100 y 200 pF (orden de capacidad del sensor Vishay). CVISHAY 130.42
Tabla 6.40 132.6%.10 Histograma de 100 valores discretos de capacidad del sensor Vishay y los condensadores de prueba C1H y C2H calculados aplicando (6.6). El error máximo que podemos ver es de 2.1 cuando la %RH en el sensor es de 36.13 pF.6) en el circuito de Figura 6.6.53 C1H 129.
Fig. pero no se ha podido disponer más que de los dos que se indican.61 171.76 C2H 172. de ese modo tendríamos una mejor caracterización de la medida de capacidad.6 %RH con las capacidades medidas en la estación.03 130.3
La Tabla 6.1 nos permite comprobar el error del sistema al medir capacidad utilizando (6.
las medidas se han tenido que realizar a humedad ambiente. Esta exposición a humedad no controlada provoca que los histogramas sean aún más dispersos.6) en función de la %RH aplicando la ecuación (6.
En este caso no podemos valorar la linealidad del sistema a partir de la recta que describe el sistema.7).6. pues es una recta teórica creada a partir de los datos que el fabricante del sensor nos da puesto que no se ha podido disponer de un calibrador de humedad. al no disponer de una cámara que asegure un valor constante de humedad. La razón principal de esta dispersión es la presencia de interferencias capacidades provocadas por la propia placa de circuito impreso. Además. midiendo durante 1 minuto el valor de capacidad en el sensor y la humedad en el laboratorio.10 podemos pensar que el sistema es más ruidoso.43
Fig.9 y 6.12 Variación discreta de valores de capacidad CVISHAY calculada en la ecuación (6. Al ver la más que notable dispersión de los histogramas de las Figuras 6.
ya que es un sensor capacitivo y. Estas medidas son enviadas al entorno LabView que se encarga de aplicar las rectas de ajuste. Tabla 6.12 Fotografía de la estación meteorológica
Una vez se han obtenido los resultados de cada sensor de forma individual se han realizado las medidas del sistema completo.12 muestra una fotografía de la estación meteorológica. por tanto. haga las medidas y cálculo de RPt100. Interfaz sensor -microcontrolador
6.3 Caracterización de la estación meteorológica
La Figura 6. En la Tabla 6. la desviación estándar de las medidas del sistema al completo varían respecto a las medidas individuales.44
Estación meteorológica.2 Comparativa de las medias de desviación estándar entre medidas individuales del sistema y las medidas del sistema al completo Desviación estándar Sistema Individual Sistema Completo Temperatura (RPt1000) 0. es decir.432 0. mostrar y crear un fichero con los resultados Como veremos en este apartado.784 Presión (XSCC15AD2) 2. al hacer la medida de tiempos de cada sensor.13e-004 2.2 vemos las diferencias entre la desviación estándar de las medidas de cada sensor de forma individual y la del sistema completo.77e-004 Humedad (CVISHAY) 0.
Fig. sobre todo en el caso de la humedad. 6.264 1. el sistema configurado para que. se crean corrientes y capacidades parásitas que afectan a la medida siguiente.185
. Esto se debe a que. XSCC15AD2 y CVISHAY. más sensible a ruido e interferencias. En todos los casos la desviación aumenta. de forma secuencial.
7).2589 R(Ω ) − 259. los calibradores de temperatura.10)
Se puede ver que las tres expresiones son muy similares. Temperatura 0.45
Con los resultados de la desviación típica podemos definir la resolución que tendrá la estación aplicando las pendientes de las ecuaciones (6.0151 T ª (º C ) = 0.7).6) y se han reproducido dos nuevas rectas de ajuste como en el caso de la ecuación (6.4 Medidas para la obtención de la exactitud de la estación. Tabla 6. por tanto podemos decir que el sistema tiene una alta repetibilidad. Las rectas están determinadas por las siguientes expresiones:
T ª (º C ) = 0. En el caso de la humedad se ha medido la capacidad del sensor Vishay utilizando la ecuación (6.2599 T ª (º C ) = 0.5) y (6.4 psi Humedad ±4.
.1 ºC Presión 0.2588 R(Ω ) − 259.13 vemos tres rectas de ajuste del módulo de temperatura.8) (6. Temperatura ±0. Tabla 6.4.8 %
Para determinar la repetibilidad del sistema se han obtenido las rectas de ajuste para temperatura y presión con medidas realizadas en 3 días distintos. presión y humedad expuestos en el apartado 5.3 Resolución de la estación meteorológica.3 psi Humedad 3%
La exactitud de la estación vendrá determinada por la diferencia entre la medida del sistema y la referencia con el patrón que tomamos.4 vemos las medidas para la obtención de la exactitud del sistema. en este caso. (6.2 ºC Presión ±0. En la tabla 6. En la Figura 6.2585 R(Ω ) − 258. Se calcula el valor medio de las diferencias entre la medida del sistema y la medida del patrón.1077
(6.9) (6.2).
Esto se debe a que la medida de presión se hace respecto a la medida de presión atmosférica que hay en ese momento.46
Estación meteorológica.3749 P ( psi ) = 1367.4266 P ( psi ) = 1369. recta roja. 6.8967 ⋅ X SCC15 AD 2 − 121. Las rectas están determinadas por las siguientes expresiones:
P ( psi ) = 1357.11) (6. negra y azul respectivamente. la presión atmosférica se suma a la presión que aplicamos sobre el sensor y medimos en el controlador de presión. El día que se hicieron las medidas de las rectas (6.14 vemos tres rectas de ajuste del módulo de presión. calculadas por mínimos cuadrados de los valores obtenidos en (6.
En la Figura 6.5749
(6.12).11) y (6.12) (6. Interfaz sensor -microcontrolador
En este caso vemos que hay una de las rectas (recta color rojo) que se encuentra desplaza en relación a las dos restantes.13).
. es decir. la presión atmosférica era inferior a la presión atmosférica del día en que se obtuvo la recta (6.14.1). de ahí que esté desplazada hacia abajo en la Figura 6.1906 ⋅ X SCC15 AD 2 − 121.13 Rectas de ajuste de temperatura de tres días distintos.3952 ⋅ X SCC15 AD 2 − 120.
53 pF.16)
En este caso era de esperar que las tres rectas fueran muy parecidas.8 %RH)
.5 ⋅ C ( pF ) − 299.95 pF. 37.15) (6.5723
(6.14) (6.9513 % RH = 2.14 Rectas de ajuste de presión de tres días distintos. ya que. En la Figura 6. Las rectas están determinadas por las siguientes expresiones:
% RH = 2. 36.54 pF.6 %RH) (135. Las medidas de los tres puntos de medida fueron: (132. como se ha explicado anteriormente. mostrando el error de medida de capacidad del sistema. No coinciden exactamente ya que el punto de medida (%RH. 39. son rectas con pendientes teóricas. pF) que se ha utilizado para obtener las rectas como en (6.7) se ha medido en tres días distintos.5 ⋅ C ( pF ) − 298.15 vemos tres rectas de ajuste del módulo de humedad.47
Fig. calculadas por mínimos cuadrados de los valores obtenidos en (6.0923 % RH = 2. 6.9 %RH) (134.4).5 ⋅ C ( pF ) − 298.
96 0.7 1.Serie Macho Funda Conector P.4 Coste y comparativa
En la Tabla 6.Serie Cantidad 1 1 1 1 1 2 1 2 2 7 3 1 1 2 1 1 1 1 Coste (€) 4.47 0.57 17 13 8.48
Estación meteorológica.63 €.63 0.7). Precisión 1W Condensador Radial Condensador Lenteja Condensador Electro. 0.44
.25 1.26 0.23 1.5 6.15 Rectas de ajuste de humedad de tres días distintos calculadas mediante (6.38 0.
6. Interfaz sensor -microcontrolador
Fig. Tabla 6.5 Inventario y costes Pieza Pt1000 SCC15AD2 VISHAY PIC16F873 IN74HC14A LM7805 MAX233 Resist.5 vemos el inventario de material y componentes que forman la estación meteorológica junto a su coste. Cristal 20 MHz Zócalo Conector estándar P1J Placa PCB Conector P.6) y (6.08 2.06 1.05 0. La suma total asciende a 64.9 4. 6.15 0.33 W Resist.
95] % [795.1050] mb [870.63
* La estación tiene un margen de medida de [0.1 ºC 3% 20.6 Comparativa de las características de la estación propuesta con otras estaciones.49
La Tabla 6.7 mb Bat.1ºC 0.7 x 4.+70] ºC [25.6 mb [-10.+70] ºC [-30.2ºC ±5 % ±27.6 muestra el resumen de las características más importantes de la estación meteorológica frente a las características de algunas estaciones comerciales.
. Tabla 6.+16] psi.95] % [5.8 420 340 ESTACION PROPUESTA
±0.5 x 2. Oregon Kestrel 4000 Scientific AVM .100] % * 0.40 WMR928NX Exactitud ±0.+50] ºC [0.1 ºC ±1 ºC ±1 % ±3 % ±7 mb ±3 mb Margen de medida [-10. 9 V 8x6x2 64.1080] mb Resolución 0.1ºC 1% 0.1% 1mb 1mb 8 pilas AA 2 pilas AAA 17 x 11 x 3 12. acorde con el rango en que se han realizado las pruebas del sistema.
Tanto la resolución como la exactitud están alejadas de los valores de estaciones comerciales. en nuestro caso). desde el mismo panel. Los sensores comerciales que se han utilizado han sido seleccionados siguiendo los siguientes criterios: disponibilidad del producto.6 mb.1 ºC y una exactitud de ±0. Su diseño se ha basado en una interfaz directa sensormicrocontrolador. coste y comportamiento físico (resistivo y capacitivo. Medida de Humedad Relativa.
Después de diseñar. proponiendo así un nuevo sistema de medida alternativo al habitualmente utilizado por las estaciones meteorológicas comerciales de uso doméstico.
Estación meteorológica. El mínimo tiempo entre medidas es de un segundo. El sensor SCC15AD2 (SenSym).7 mb y una exactitud de ±27. No requiere acondicionamiento de los sensores. El sistema nos permite obtener valores en el rango de 10 % a 90 % con una resolución de 3 % y una exactitud del ±5 %. El entorno LabView permite monitorizar las tres magnitudes pudiendo ajustar el tiempo entre medidas y el número de medidas. El sistema nos permite obtener valores en el rango de -10 ºC a +50 ºC con una resolución de 0. El diseño de la estación es sencillo. implementar y verificar la estación meteorológica podemos extraer las siguientes conclusiones:
La estación meteorológica es capaz de medir las tres magnitudes físicas Sólo en el caso de la presión atmosférica las especificaciones no cumplen las expectativas esperadas. Al finalizar las medidas se muestra la media. El sensor utilizado es la Pt1000 (LabFacility). CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO
En el presente trabajo se ha diseñado e implementado una estación meteorológica. Interfaz sensor -microcontrolador
CAPÍTULO 7.txt de resultados y facilitando. Las características de la estación meteorológica son las siguientes:
Medida de Temperatura. seleccionar el directorio donde guardar el archivo . la modificación de la calibración del sistema. Medida de Presión Atmosférica. El sistema nos permite obtener valores en el rango de mb a mb con una resolución de 20.2 ºC. hecho que permite prescindir de amplificadores operacionales y filtros que incrementarían su coste final. El sensor 2322 691 90001 (Vishay).
la estación presenta aspectos mejorables.
A pesar ser un sistema de bajo coste. Revisar y aplicar el módulo de temperatura en ámbitos más exigentes. como puede ser la medicina o la indústria.4 psi. Los termómetros que se utilizan en las incubadoras son del orden de 0.51
La estación requiere una fuente de alimentación de 9 V con conector estándar P1J y su consumo es de 20 mA.1 ºC de exactitud. Una estación de uso doméstico convencional varía su consumo entre 1 mA (en espera) a 75 mA (transmisión de datos). Estas carencias son la base de las futuras líneas de trabajo que se proponen a continuación:
Dotar de autonomía a la estación. Con una batería estándar de 9 V y 2000 mAH se conseguiría una duración aproximada de funcionamiento de 100 horas.
. como puede ser la detección de perdida de presión por fuga de gas. Aplicar el módulo de medición de presión a usos que no exijan una resolución inferior a 0. valores equiparables a los de la estación propuesta. Esto supone adaptar la estación a una alimentación con batería o pilas y diseñar un sistema wireless para la monitorización remota. diseño sencillo y monitorización remota. Reducir su consumo configurando el microcontrolador de modo que pueda suspender su funcionamiento entre medidas (función de apagado por inactividad) o bien apagarlo cuando no se requiera su uso (función “sleep”).1 ºC de resolución y ±0. tanto en la alimentación como en la transmisión/recepción de datos.
Figura Anexo 1. Esquemático del circuito para placa PCB
Esquema de la placa PCB (Frontal)
Figura Anexo 2.60
0884 0.4063 34.7486 1092.7829 131.0884 0.1819 24.3374 131.7243 33.1404 … Hum(%RH) 31.0883 0.1819 24.1404 1034.0436 1034.4185 32.0884 0.1360 24.7486 1092.1404 1044.2371 1044.2358 1094.0111 31.1360 24.3545 129.5155 130.7486 1092.6184 1092.2371 1044.0830 24.1553 24.5435 1092.0993 129.5796 33.1625 24.6784 28.
.2636 1092.1625 24.4846 129.6044 131.1404 1034.8525 28.1404 1044.1625 24.5435 1092.3650 129.1095 24.6678 30.0884 0.7486 1092.5034 33.1373 129.8035 130.2225 32.5157 1092.0901 24.1404 1044.5435 1093.1404 1044.3937 … Pres(mb) 1044.1404 1044.1404 1044.1360 24.0885 0.0166 30.0626 29.5435 1092.2371 1049.8913 32.8152 27.0830 24.2371 1044.8864 33.1404 1044.2155 24.3304 29.1819 24.7486 1092.2371 1034.0884 0.0883 … CX (pF) 131.2356 28.1819 24.6363 29.2831 131.1404 1044.5435 1092.0884 0.2371 1044.1404 1044.0883 0. Ejemplo de archivo .7486 1092.4981 28.9042 129.0936 32.0884 0.2155 24.5157 1092.5743 33.5932 29.4122 …
Figura Anexo 4.5435 1092.9574 130.0884 0.1404 1044.6348 131.4648 1092.0830 24.1404 1044.0883 0.5259 30.9096 129.0884 0.0883 0.8158 129.7701 30.1625 24.7209 1092.0884 0. presión atmosférica y humedad relativa.5105 28.2371 1044.2206 27.1250 129.8235 1092.1014 131.1625 24.6151 131.1360 24.2073 33.3932 130.0545 131.1404 1059.9579 33.2155 24.0884 0.5435 1092.5157 1093.2371 1034.2358 1092.7486 1092.2155 24.0943 131.1625 24.0884 0.0869 0.0884 0.1404 1044.0883 0.4132 1092.1404 1044. 10:51 Rx ( ) 1092.3209 129.1882 129.0884 0.2155 24.1288 24.6436 31.8171 1092.1404 1044.2358 1092.2155 23.0884 0.0883 0.5189 1034.2155 24.1404 1054.1332 130.6184 1092.1404 1034.5943 33.1404 1044.1404 1034.4974 28.7894 1092.7098 … X 0.5435 1092.8377 28.2317 … Temp(ºC) 24.1404 1153.5652 30.1404 1044.0883 0.1890 129.1625 24.2155 24.1675 131.2349 24.0885 0.0884 0.7486 1092.5512 131.2371 1034.2084 24.1688 33.6626 29.8674 131.1061 129.0883 0.4409 1092.1332 24.0884 0.5897 131.1625 24.1337 130.2155 24.0884 0.1044 130.7415 28.7297 131.0883 0.0606 131.2348 129.6095 1044.3529 32.0884 0.2625 131.2155 24.1404 1044.2649 131.1553 24.4080 130.7896 27.6473 28.0884 0.1404 1044.0410 129.7486 1092.1625 24.0884 0.0884 0.1625 24.1404 1044.txt que proporciona LabView durante las medidas de temperatura.5693 1092.1077 1092.61
MEDIDAS ESTACIÓN METEOROLOGICA lunes.7331 31.5435 1092.1067 130.0884 0.1404 1044.5157 1092.1553 24.7486 1092.9942 129.0387 30.1404 1044.1404 1034.1625 24.5435 1092.8158 129.2371 1044.0153 29. 05 de marzo de 2007 .8369 33.4282 129.0829 32.7896 28.5435 1092.1553 24.1404 1044.0883 0.1404 1044.0958 130.0884 0.0885 0.2371 1044.1404 1054.0883 0.2371 1034.0883 0.2358 1092.1404 1034.1404 1044.2588 32.1610 1092.1819 24.0199 129.0884 0.4565 130.2371 1044.0884 0.1404 1034.2999 28.5435 1092.0843 31.0884 0.0884 0.5686 130.3384 1092.0351 129.0424 1034.7388 24.1404 1044.4014 33.1715 30.6184 1091.0895 0.0883 0.1432 24.0884 0.2155 24.3377 131.6990 129.7486 1089.2371 1044.1404 1044.2371 1044.5435 1092.0884 0.0762 1044.0884 0.2412 130.6592 24.9858 32.0240 28.0884 0.9895 30.1819 24.5522 28.3104 130.7914 24.4846 24.6184 1092.3713 129.1404 1034.0883 0.5597 1092.4409 1092.4409 1094.5157 1092.1819 23.4687 1092.4409 1092.7763 1092.0884 0.3261 129.3106 1095.4261 128.5435 1092.6837 24.1625 24.1553 24.0884 0.0884 0.6209 33.0884 0.8391 24.8235 1092.8205 33.6492 129.2349 24.1023 24.0883 0.0884 0.7878 33.3369 29.0883 0.6322 129.1281 33.4300 1092.0830 24.9880 1039.3671 129.0884 0.2227 24.
Figura Anexo 5.
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