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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
CARRERA ELECTROMECÁNICA
DISEÑO DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA
AUTÓNOMA CON COMUNICACIÓN A UNA
COMPUTADORA PERSONAL
PROYECTO DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE
LICENCIATURA EN
ELECTROMECÁNICA
POSTULANTE: DIEGO RAFAEL HUANCA ZAMBRANA
TUTOR: ING. EDGAR TAPIA TERRAZAS
LA PAZ – BOLIVIA
MARZO – 2015
DISEÑO DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA
AUTÓNOMA CON COMUNICACIÓN A UNA
COMPUTADORA PERSONAL
Postulante : Univ. Diego Rafael Huanca Zambrana
Tutor : Ing. Edgar Tapia Terrazas
Tribunal:
Ing. Walter López Méndez ……………………………….
Lic. Simón Layme Velasco ……………………………….
Ing. Walter Ramírez Criales ……………………………….
Director de Carrera:
Ing. Marcelo Vázquez Villamor ……………………………….
Fecha:
La Paz Marzo del 2015
DEDICATORIA
El presente trabajo es dedicado a:
DIOS Y JESUCRISTO por estar siempre a mi lado.
A mí amada Esposa Verónica, a mi amado Hijito
Francisco y al/la nuevo/a integrante de la familia que
llegara pronto, son la razón de la sonrisa que hay en
mi corazón. Ustedes siempre me dan la energía
necesaria para vivir Feliz.
A mis padres Francisco y Catalina gracias a ellos
tengo la dicha de ser quien soy.
A mis hermanos Hernán, Moisés y mi hermana
Elizabeth, son la primera amistad que conocí.
A mi familia política que me recibió como hijo y
hermano.
A mis Amigos y Amigas.
A Rocky que me acompaño en mi niñez y mi juventud,
Gordon y Ody ellos ahora me acompañan “son mis
amigos y mascotas”.
Diego Rafael Huanca Zambrana
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos:
A mi Familia, Esposa, Hijos, Padres, Hermanos y Hermana por el
apoyo y colaboración en el presente trabajo.
A todos los amigos y amigas.
A los Docentes de la carrera de ELECTROMECANICA de la Facultad
de Tecnología de la UMSA.
Al Ing. EDGAR TAPIA TERRAZAS, Docente de la carrera de
ELECTROMECANICA y TUTOR del presente Trabajo.
A los señores tribunales del presente proyecto: Ing. Walter López
Méndez, Lic. Simón Layme Velasco e Ing. Walter Ramírez Críales,
Docentes de la Carrera de ELECTTOMECANICA.
Al SERVICIO NACIONAL DE METEOROLOGIA E
HIDROLOGIA.
A Todas aquellas personas que en una u otra forma colaboraron en la
realización del presente trabajo.
RESUMEN
Una Estación Meteorológica Convencional o Autónoma es una instalación destinada a medir
y registrar diversas variables meteorológicas como la, Radiación Solar, Temperatura del
Aire, Humedad relativa, Presión Atmosférica, Velocidad/Dirección del Viento y
Precipitación. Estos datos se utilizan para la elaboración de predicciones meteorológicas o
generación de históricos de datos.
En el presente proyecto se Diseña e Implementa una Estación Meteorológica Autónoma
(EMA) de 4to Orden que mide y registra la precipitación, se construye el DATALOGGER
FRANCIS (DTLG F) encargado de medir y registrar el dato del sensor de Precipitación
(Pluviómetro), con la opción a incluir 4 sensores de señal tipo analógica de 0 a 5 voltios y
una señal de frecuencia. El DTLG F tiene como corazón un Microcontrolador (uC)
PIC16F877A, que, con la correcta programación en MicroCode Studio, puede interactuar
con Circuitos Integrados (CI) como: él Reloj Calendario de Tiempo Real DS1307, la
Interface de comunicación entre el DTLG F con la PC MAX-232 y la Memoria EEPROM
24C64. Para el buen funcionamiento del uC y los CI es necesario introducir elementos
electrónicos como resistencias, capacitores, pulsadores, diodos y otros elementos
electrónicos.
La EMA tiene una independencia de energía debido a que funciona con un sistema
fotovoltaico aislado. La descarga de los datos almacenados en la menoría EEPROM 24C64
se realiza con la ventana de comunicación serial SerialCom de MicroCode Studio, dichos
datos se guardan en un archivo.txt listo para procesar. Los datos se almacenan de la siguiente
manera: FECHA - HORA -- PRECIPITACION para una EMA de 4to Orden y FECHA -
HORA -- TEMPERATURA - HUMEDAD RELATIVA - PRESION ATMOSFERICA -
VELOCIDAD DEL VIENTO - DIRECCION DEL VIENTO -PRECIPITACION para una
EMA.
INDICE DE CONTENIDO
1 CAPITULO I GENERALIDADES DEL PROYECTO ............................................ 1
1.1 Introducción. ................................................................................................................ 1
1.2 Planteamiento Del Problema. ...................................................................................... 1
1.2.1 Identificación Del Problema. ....................................................................................... 1
1.2.2 Formulación Del Problema. ......................................................................................... 2
1.3 Objetivos. ..................................................................................................................... 2
1.3.1 Objetivo General.......................................................................................................... 2
1.3.2 Objetivos Específicos. ................................................................................................. 2
1.4 Justificación. ................................................................................................................ 3
1.4.1 Justificación Técnica. .................................................................................................. 3
1.4.2 Justificación Económica. ............................................................................................. 3
1.4.3 Justificación Social. ..................................................................................................... 3
2 CAPITULO II MARCO TEÓRICO ........................................................................... 4
2.1 Descripción De Los Elementos Del Tiempo. .............................................................. 4
2.1.1 Temperatura. ................................................................................................................ 4
2.1.2 Humedad Relativa. ...................................................................................................... 4
2.1.3 Presión Atmosférica. ................................................................................................... 5
2.1.4 Precipitación. ............................................................................................................... 5
2.1.5 Viento. ......................................................................................................................... 5
2.2 Instrumentos Meteorológicos. ..................................................................................... 7
2.2.1 Psicrómetro. ................................................................................................................. 9
2.2.2 Termómetro. ................................................................................................................ 9
2.2.3 Higrómetro. ............................................................................................................... 11
2.2.4 Barómetro. ................................................................................................................. 11
2.2.5 Pluviómetro. .............................................................................................................. 12
2.2.6 Anemómetro. ............................................................................................................. 13
2.2.7 Veleta. ........................................................................................................................ 13
2.3 Clasificación De Estaciones Meteorológicas. ........................................................... 13
2.4 Elementos Electrónicos De La Estación Meteorológica Autónoma. ........................ 14
2.4.1 Microcontrolador. ...................................................................................................... 14
2.4.2 Sensor De Temperatura. ............................................................................................ 18
2.4.3 Sensor De Humedad. ................................................................................................. 19
2.4.4 Sensor De Presión. ..................................................................................................... 20
2.4.5 Sensor De Precipitación............................................................................................. 20
2.4.6 Sensor De Velocidad Y Dirección Del Viento. ......................................................... 21
2.4.7 Interface Serial Rs – 232. .......................................................................................... 22
2.4.8 Comunicación I2c. ..................................................................................................... 23
2.4.9 Sistema Autónomo De Alimentación De Energía. ................................................... 24
2.5 Entorno De Desarrollo Integrado (Ide) Y Grabador Del Microcontrolador. ............. 26
2.5.1 Microcode Studio. ..................................................................................................... 26
2.5.2 Universal Picmicro5 Y Pickit2. ................................................................................. 26
3 CAPITULO III INGENIERÍA DEL PROYECTO.................................................. 28
3.1 Parámetros De Diseño. .............................................................................................. 28
3.2 Diseño Del Hardware Para La Toma De Datos. ........................................................ 29
3.2.1 Sistema De Adquisición De Datos, Control, Comunicación Y Visualización.
…………………………………………………………………………….29
3.2.2 Subsistema De Sensores. ........................................................................................... 37
3.2.3 Calculo De Sensores Meteorológicos Con Partes Moviles. ...................................... 39
3.2.3.1 Calclulo De Dimensiones Del Pluviómetro. .................................................. 39
3.2.3.2 Calculo De Dimensiones Del Anemómetro. .................................................. 43
3.2.3.3 Calculo De Dimensiones De La Veleta .......................................................... 48
3.2.4 Selección De Sensores ............................................................................................... 51
3.2.4.1 Sensor De Temperatura. ................................................................................. 51
3.2.4.2 Sensor De Humedad. ...................................................................................... 52
3.2.4.3 Sensor De Presión. .......................................................................................... 54
3.2.5 Calculo Del Sistema Autónomo De Alimentación Eléctrica..................................... 55
3.3 Diseño Del Software Del Microcontrolador, Interfaz Humano Maquina (Hmi) Para
Tratamiento De Datos. .......................................................................................................... 60
3.3.1 Características Del Software De Programación. ....................................................... 60
3.3.2 Desarrollo Del Programa Para El Microcontrolador. ................................................ 60
3.3.2.1 Diagrama De Flujo Principal. ......................................................................... 60
3.3.2.2 Codigo Del Programa Para El Uc. .................................................................. 62
3.3.3 Interface Humano Maquina (Hmi). ........................................................................... 67
3.4 Implementación De La Simulación Con Proteus. ..................................................... 67
3.5 Prueba De Funcionamiento En Protoboard (Placa De Prueba) Y Descarga De Datos.
………………………………………………………………………………………70
3.6 Criterios Para El Emplazamiento De Estaciones Meteorologicas. ............................ 77
3.6.1 Datalogger. ................................................................................................................ 78
3.6.2 Temperatura Y Humedad. ......................................................................................... 78
3.6.3 Presion. ...................................................................................................................... 78
3.6.4 Velocidad Y Direccion Del Viento. .......................................................................... 79
3.6.5 Precipitacion. ............................................................................................................. 79
3.7 Control De Calidad Del DATALOGGER FRANCIS. .............................................. 79
4 CAPITULO IV COSTOS ........................................................................................... 80
4.1 Costo De Elementos Materiales E Insumos. ............................................................. 80
4.2 Costo De Mano De Obra. .......................................................................................... 81
4.3 Costo De Operación Y Mantenimiento. .................................................................... 81
4.4 Costo De Equipo. ...................................................................................................... 82
4.5 Costo Total. ............................................................................................................... 82
5 CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................. 84
5.1 Conclusiones. ............................................................................................................. 84
5.2 Recomendaciones. ..................................................................................................... 84
BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................... 86
ANEXOS ............................................................................................................................. 86
INDICE DE FUGURAS
Figura 2.1 Rosa de vientos. .................................................................................................... 6
Figura 2.2 Disposición de los elementos de una estación meteorológica convencional. ....... 8
Figura 2.3 Garita meteorológica o Caseta Meteorológica tipo A. .......................................... 8
Figura 2.4 Psicrómetro. .......................................................................................................... 9
Figura 2.5 Distintos tipos de termómetros, a la izquierda el de tipo SIX, a la derecha arriba
el termómetro de Mínima y abajo el de Máxima. ......................................................... 11
Figura 2.6 Higrómetro. ......................................................................................................... 11
Figura 2.7 Barómetro de Mercurio y Barógrafo Aneroide. .................................................. 12
Figura 2.8 Pluviómetro tipo Hellman. .................................................................................. 12
Figura 2.9 A la izquierda Veleta y anemómetro tipo Wild, a la derecha anemómetro de
cazoletas y veleta. .......................................................................................................... 13
Figura 2.10 Microcontrolador. ............................................................................................. 14
Figura 2.11 Empaquetado del uC PIC. ................................................................................. 15
Figura 2.12 LM35 y LM335. ................................................................................................ 18
Figura 2.13 HIH3610 series y HS1101. ............................................................................... 19
Figura 2.14 MPX4115a y MPS 3110 SERIES. .................................................................... 20
Figura 2.15 Partes Pluviómetro y Modelo 260-7852 Colector de Lluvia. ........................... 21
Figura 2.16 Anemómetro Davis Instruments 7911. ............................................................. 21
Figura 2.17 Estructura de un dato que envía a 2400bits/seg, sin paridad, 8 bits de dato y un
bit de parada. ................................................................................................................. 22
Figura 2.18 Comunicación serial con la norma RS232, el dato enviado es el mismo que el de
la Figura 2.18................................................................................................................. 23
Figura 2.19 Pines del MAX232. ........................................................................................... 23
Figura 2.20 Panel Fotovoltaico. ............................................................................................ 25
Figura 2.21 Regulador de voltaje. ........................................................................................ 25
Figura 2.22 Acumulador. ...................................................................................................... 25
Figura 2.23 El IDE de MicroCode Studio. ........................................................................... 26
Figura 2.24 UNIVERSAL PICmicro5. ................................................................................ 27
Figura 2.25 PICKIT2. ........................................................................................................... 27
Figura 3.1 Simulación en PROTEUS del Sistema de adquisición de datos. ........................ 30
Figura 3.2 Reloj/Calendario de tiempo Real. ....................................................................... 32
Figura 3.3 Espacio de almacenamiento de la Memoria EEPROM 24c64. ........................... 33
Figura 3.4 Almacenamiento de información en la memoria EEPROM con 6 sensores
conectados. .................................................................................................................... 33
Figura 3.5 Almacenamiento de información en la memoria EEPROM con el Pluviómetro
conectado. ...................................................................................................................... 34
Figura 3.6 Sistema de almacenamiento de información. ...................................................... 35
Figura 3.7 Sistema de comunicación con la PC. .................................................................. 36
Figura 3.8 Simulación de sensores de Temperatura, Humedad y Presión. .......................... 37
Figura 3.9 Simulación de sensores de Lluvia, Velocidad del Viento y Dirección del Viento.
....................................................................................................................................... 38
Figura 3.10 Superficie impermeable y agua de lluvia .......................................................... 39
Figura 3.11 Área colectora del pluviómetro y volumen constante ....................................... 40
Figura 3.12 Sistema basculante del pluviómetro “Balancín”. .............................................. 42
Figura 3.13 Anemómetro de Robinson. ............................................................................... 44
Figura 3.14 Anemómetro de 3 cazoletas con disco de ranuras. ........................................... 45
Figura 3.15 Disco con n ranuras. .......................................................................................... 46
Figura 3.16 Conexión del Optoacoplador............................................................................. 47
Figura 3.17 Veleta. ............................................................................................................... 48
Figura 3.18 Potenciómetro Rotativo. .................................................................................... 49
Figura 3.19 Sistema Autónomo de Alimentación Eléctrica. ................................................ 59
Figura 3.20 Ventana de comunicación Serial. ...................................................................... 67
Figura 3.21 Visualización de la Temperatura. ...................................................................... 67
Figura 3.22 Visualización de la Humedad Relativa. ............................................................ 68
Figura 3.23 Visualización de la Presión Atmosférica. ......................................................... 68
Figura 3.24 Visualización de la Precipitación. ..................................................................... 68
Figura 3.25 Visualización de la Velocidad del viento. ......................................................... 68
Figura 3.26 Visualización de la Dirección del viento. ......................................................... 68
Figura 3.27 Visualización del sistema completo. ................................................................. 69
Figura 3.28 Ventana de comunicación serial de MCS. ........................................................ 74
Figura 3.29 Guardando la descarga en formato .TXT. ......................................................... 75
Figura 3.30 Datos guardados en una hoja .TXT. .................................................................. 75
Figura 3.31 Datos instantáneos visualizados en la PC. ........................................................ 76
INDICE DE FOTOS
Foto 3.1 Prototipo DATALOGGER. .................................................................................... 70
Foto 3.2 LCD y otros subsistemas apagados. ....................................................................... 71
Foto 3.3 LCD muestra la fecha y la hora. ............................................................................. 71
Foto 3.4 Proceso de almacenamiento de datos en la memoria. ............................................ 71
Foto 3.5 Nombre de la EMA. ............................................................................................... 71
Foto 3.6 Fecha y Hora. ......................................................................................................... 72
Foto 3.7 Temperatura Instantánea. ....................................................................................... 72
Foto 3.8 Humedad Relativa. ................................................................................................. 72
Foto 3.9 Presión Atmosférica. .............................................................................................. 72
Foto 3.10 Velocidad del Viento. ........................................................................................... 72
Foto 3.11 Dirección del Viento. ........................................................................................... 73
Foto 3.12 Precipitación. ........................................................................................................ 73
Foto 3.13 Para descargar datos se debe presionar P1. .......................................................... 73
Foto 3.14 El uC espera órdenes de la PC. ............................................................................ 73
Foto 3.15 Enviando por primera vez D o T mediante la PC. ............................................... 74
Foto 3.16 Enviando por Segunda vez D o T mediante la PC. .............................................. 74
Foto 3.17 Descarga de datos almacenados en la Memoria 24C64. ...................................... 75
Foto 3.18 Fin de la Descarga. ............................................................................................... 76
Foto 3.19 Envió de datos instantáneos a la PC. .................................................................... 76
Foto 3.20 Fin de envió. ......................................................................................................... 77
INDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Escala Beaufort. ...................................................................................................... 7
Tabla 2.2 Resumen De Características De La Familia 16f87xa. .......................................... 16
Tabla 2.3 Características De La Familia 16f87xa. ............................................................... 17
Tabla 3.1 Voltaje, Cad Y Ángulo. ........................................................................................ 49
Tabla 3.2 Consumo De Corriente De Los Elementos Electrónicos. .................................... 56
Tabla 3.3 Valores De Parámetros Para Calcular El Coeficiente De R. ................................ 57
Tabla 3.4 Rangos De Variables Del Tiempo. ....................................................................... 70
Tabla 4.1 Costo De Elementos Materiales E Insumos. ........................................................ 81
Tabla 4.2 Costo De Mano De Obra. ..................................................................................... 81
Tabla 4.3 Operación Y Mantenimiento. ............................................................................... 82
Tabla 4.4 Costo De Equipo. ................................................................................................. 82
Tabla 4.5 Costo Total. .......................................................................................................... 83
INDICE DE GRAFICOS
Grafico 3.1 Voltaje Vs. Ángulo Ó Dirección. ...................................................................... 49
Grafico 3.2 Temperatura Vs. Voltaje De Salida Del Sensor LM335. .................................. 51
Grafico 3.3 Humedad Relativa Vs. Voltaje De Salida Del Sensor HIH3610. .................... 53
Grafico 3.4 Presión Vs. Voltaje De Salida Del Sensor MPX4115. ..................................... 54
1
CAPITULO I
1 GENERALIDADES DEL PROYECTO
1.1 INTRODUCCIÓN.
Siendo la tendencia en la actualidad la automatización de procesos, donde se requieren datos
precisos, confiables, fáciles de manipular y procesar, para realizar estudios, simulaciones,
prototipos, diseños, etc. Utilizando la tecnología que nos brinda la electrónica con sus
herramientas de diseño, se puede brindar soluciones de calidad y con la opción a ser
actualizadas o mejoradas.
La Estación Meteorológica Autónoma (EMA) de 4to orden, está destinada a medir y registrar
la Precipitación (Lluvia). Una EMA que mide y registra la, Temperatura del aire, Humedad
Relativa, Presión Atmosférica, Velocidad/Dirección del Viento y Precipitación es una
versión más completa de la EMA de 4to orden.
La EMA de 4to Orden y la EMA utilizan un DATALOGGER (Sistema de Adquisición de
Datos) al que van conectados sensores meteorológicos (Temperatura del aire, Humedad
Relativa, Presión Atmosférica, Velocidad/dirección del Viento y Precipitación). El corazón
del DATALOGGER (DTLG) es un Microcontrolador (uC), conjuntamente con otros
elementos electrónicos es capaz de adquirir señales analógicas/digitales, lograra transformar
las señales analógicas/digitales para: ser procesadas mediante la programación que tendrá el
uC, serán visualizadas, se podrá variar el intervalo de almacenamiento de la fecha-hora-datos
meteorológicos según los requerimientos y tendrá la capacidad de comunicarse con una
computadora personal.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
1.2.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA.
La demanda de información Hidrometeorológica para investigación, diseños, prevención de
riesgos, hace necesario que se tenga la mayor cantidad de datos Hidrometeorológicos
posibles, por este motivo es necesario contar con la mayor cantidad de Estaciones
Meteorológicas Autónomas emplazadas en diferentes regiones que sean capaces de
2
recolectar la información del tiempo de manera automática durante las 24 horas del día para
luego ser procesadas e ingresadas en una base de datos.
1.2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Una Estación Meteorológica Convencional tiene sus limitaciones en las lecturas de las
variables del tiempo como ser:
1. Solo se realiza 3 lecturas diarias a las 8:00, a las 14:00 y a las 18:00 horas.
2. En lugares donde no se cuenta con anemómetro y veleta, el observador realiza la
lectura del viento según su percepción.
3. Las Estaciones Meteorológicas Convencionales emplazadas no cuentan con todos los
instrumentos de medida del tiempo en su totalidad.
4. La autenticidad de los datos.
1.3 OBJETIVOS.
1.3.1 OBJETIVO GENERAL.
Diseñar una de Estación Meteorológica Autónoma (EMA), capaz de comunicarse con una
Computadora Personal (PC).
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Diseñar e implementar el DATALOGGER.
Desarrollar el hardware del sistema de adquisición de datos, visualización y el
hardware del subsistema de sensores en PROTEUS.
Desarrollar el software, para el Microcontrolador (uC).
Conseguir la comunicación del prototipo DATALOGGER con la PC mediante la
norma de comunicación serial RS-232 y lograr la descarga de datos almacenados en
el DATALOGGER.
Dimensionar el sistema autónomo de alimentación eléctrica.
3
1.4 JUSTIFICACIÓN.
1.4.1 JUSTIFICACIÓN TÉCNICA.
Suministrar la EMA: Mejora la adquisición de los datos meteorológicos con 12 lecturas
diarias de las variables del tiempo, ocupa un espacio muy pequeño en el lugar donde se
emplazara.
A nivel de Hardware tiene un fácil trabajo de mantenimiento al contar con elementos
existentes en el mercado local, fácil manipulación de la visualización de las variables del
tiempo y tiene la posibilidad de incrementar más sensores de tipo analógico o digital para
otros fines.
A nivel de Software tiene la capacidad de actualizar el programa del uC, incrementar las
entradas de tipo analógico o digital.
1.4.2 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA.
La parte más importante del sistema es el Microcontrolador que reduce el tamaño del circuito
de adquisición de datos en elementos y en tamaño. Esto implica una disminución en el costo
total al excluir varios circuitos exteriores que un Microprocesador (uP) requiere para
funcionar como un Microcontrolador.
1.4.3 JUSTIFICACIÓN SOCIAL.
Siendo el beneficio que ofrece la Estación Meteorológica Autónoma, será fácil de adquirirlo
por instituciones, comunidades, agricultores y otras personas interesadas en:
Mejorar el rendimiento de sus diferentes productos, tanto en la siembra y en la
cosecha de los mismos.
Generar un histórico de datos de velocidad/dirección del viento, para diseños Eólicos
de generación de energía eléctrica, aislados o conectados al Sistema Nacional
Interconectado.
Generar un histórico de datos de Precipitación, reduciendo el intervalo de
almacenamiento de la información, para obtener las curvas IDF (Intensidad Duración
y Frecuencia) de la Lluvia necesarias para el diseño de Puentes, Estructuras,
Carreteras, otros.
4
CAPITULO II
2 MARCO TEÓRICO
2.1 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL TIEMPO.
La meteorología es la ciencia que trata del estudio de la atmósfera, de los fenómenos y
procesos físicos que en ella ocurren. El tiempo en su sentido meteorológico es el estado
variable de la atmósfera en un momento dado, entre los diversos elementos meteorológicos
que conforman el tiempo se tienen la Temperatura del aire, la Humedad Relativa, la
Precipitación, los movimientos del aire, la Presión Atmosférica y la Radiación Solar.
2.1.1 TEMPERATURA.
La radiación solar que llega a la superficie de la tierra se transforma en calor, el calor es un
estado latente de la energía de un cuerpo, se manifiesta por las vibraciones moleculares que
aceleran cuando la temperatura aumenta, y desacelera cuando esta disminuye. El valor o
índice de ese estado latente se llama temperatura, es la condición que determina el flujo de
calor resultante entre dos cuerpos, el flujo de calor es del cuerpo caliente al cuerpo frío. El
instrumento que mide la temperatura es el Termómetro y su unidad es él: [oC] Grado Celsius.
2.1.2 HUMEDAD RELATIVA.
El vapor de agua es uno de los componentes más importantes de la atmósfera, participa en
una cantidad variable que por sus cualidades ocupa una posición muy especial ya que
proporciona las condiciones características del estado del tiempo. Esto es una parte esencial
del clima porque sin vapor de agua no existirían nubes ni se producirían precipitaciones. La
Humedad Relativa es un medio sencillo de expresar hasta que medida se encuentra el aire
próximo o no a la saturación, es la relación entre la masa del vapor de agua realmente presente
en la unidad de vapor de aire y la masa de vapor necesaria para la saturación del aire a la
misma temperatura. Los instrumentos que miden la Humedad Relativa son el Psicrómetro y
el Higrómetro, su unidad es él: [%] Porcentaje.
5
2.1.3 PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
El aire tiene peso y ejerce una fuerza sobre todos los cuerpos sumergidos en el, dicha fuerza
que ejerce el aire por unidad de área es la presión atmosférica, la masa de una columna de
aire sobre un punto dado determina la presión atmosférica en ese punto, a un mismo nivel la
presión varia a través del tiempo, de un lugar a otro y con el incremento de la altura disminuye
su valor, Los instrumentos que miden la presión son: El Barómetro de Mercurio, el Barógrafo
Aneroide y su unidad es él: [hPa] hecto Pascal la ecuación (P). Muestra matemáticamente
la Presión.
𝑃 =𝑊𝐴𝐼𝑅𝐸
𝐴=
𝑚𝐴𝐼𝑅𝐸∗𝑔
𝐴 ······(P)
Donde:
P Es la Presión atmosférica.
WAIRE Peso del aire.
A Área, mAIRE Masa del aire.
g Aceleración de la gravedad.
2.1.4 PRECIPITACIÓN.
La precipitación se define como el fenómeno de la caída del agua de las nubes en forma
líquida o sólida. La cual es precedida por la condensación o sublimación o de ambos y está
asociada primariamente con las corrientes convectivas del aire. Para que se produzca la
precipitación es necesario que las gotitas de agua de una nube aumenten de tamaño
alcanzando un peso que vencerá a la gravedad y caerá a la superficie. El instrumento que
mide la precipitación es el Pluviómetro y su unidad es: [mm/m2] milímetros de lluvia por
metro cuadrado. O simplemente [mm]
2.1.5 VIENTO.
Se conoce como viento al movimiento aproximadamente horizontal del aire, motivado por la
diferencia de presión atmosférica entre dos lugares, el viento se dirige del lugar de mayor
presión hacia el de menor presión con variable intermitencia, esto quiere decir que no fluye
6
con intensidad regular sino que lo hace en ráfagas, en un momento dado la velocidad crece y
en otro disminuye. Para determinar la dirección del viento se indica en el punto del horizonte
de donde procede. Un viento que sopla de norte a sur es un viento Norte. Generalmente la
dirección del viento se expresa en términos de la “rosa de vientos” o en grados azimutales
medidos desde el Norte (0o), a través del Este (90o), Sur (180o), Oeste (270o), el Norte está
representado por 0o y 360o como se ve en la Figura 2.1. El instrumento que mide la dirección
del viento es la veleta.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Rosa_de_los_vientos
Figura 2.1 Rosa de vientos.
La velocidad del viento varia con la altura, también depende del lugar geográfico donde se
presente esta, para poder medir su valor se utiliza un Anemómetro su unidad es él: [m/s]
metro por segundo, ó se utiliza la escala Beaufort que se muestra en la Tabla 2.1.
7
Fuente: http://www.campismomexico.com/general/medicion-del-viento-escala-de-beaufort
Tabla 2.1 Escala Beaufort.
2.2 INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS.
Los instrumentos meteorológicos están emplazados dentro de un área determinada y cada
uno en su respetivo lugar como se muestra en la Figura 2.2.
8
Fuente: http://www.senamhi.gob.bo/meteorologia/resumensinoptico.php Figura 2.2 Disposición de los elementos de una estación meteorológica convencional.
El Psicrómetro, los termómetros, el Barógrafo, el Higrómetro se encuentran dentro de una
garita que está fabricada de madera con ventilación y revestida con pintura de color blanco
para evitar la absorción de calor, existen del tipo A y la del tipo B la, garita meteorológica es
como la que se muestra en la Figura 2.3.
Fuente: http://www.senamhi.gob.bo/meteorologia/boletinmensualtemperatura.php
Figura 2.3 Garita meteorológica o Caseta Meteorológica tipo A.
9
2.2.1 PSICRÓMETRO.
Actualmente este instrumento es de uso general especialmente en las estaciones
climatológicas, consta de los termómetros de Bulbo Seco y Bulbo Húmedo que están cerca
uno del otro, sujetos verticalmente dentro de la garita meteorológica juntos, con la ayuda de
un ábaco se puede calcular la Humedad Relativa y el punto de Rocío. En la Figura 2.4 se
puede apreciar este instrumento.
Fuente: Cortesía SENAMHI.
Figura 2.4 Psicrómetro.
2.2.2 TERMÓMETRO.
Existen varios tipos de termómetros pero los usados en meteorología son:
Termómetro de Bulo Seco. Se emplea para medir la temperatura ambiente (la
temperatura del aire), su principio de funcionamiento como en varios termómetros es
la dilatación y la contracción del mercurio, gracias a que posee una escala se puede
realizar la media de la temperatura ambiente.
10
Termómetro de Bulbo Húmedo, que tiene el bulbo de mercurio cubierto con
una muselina que se mantiene húmeda con agua destilada o en su defecto agua de
lluvia. La evaporación del agua de la muselina significa el consumo de cierta cantidad
de calor que es absorbido del bulbo húmedo, lo que motiva un enfriamiento que es
indicado en el mismo termómetro,
Termómetro de temperatura máxima (Negretti). Se emplea para medir la
temperatura más elevada de cada día, es un termómetro de mercurio con un
enmarcado estrechamiento en el tubo capilar del depósito. El termómetro Negretti se
coloca en posición casi horizontal con una inclinación de aproximadamente 2 grados,
Cuando la temperatura aumenta, el mercurio del depósito se dilata con fuerza y puede
pasar por el estrechamiento, al disminuir la temperatura el mercurio se queda atrapado
en el tubo capilar y al no existir fuerza que le permita volver a una posición anterior
el mercurio se queda en la posición en la cual la temperatura fue la máxima del día
Termómetro de temperatura mínima (Rutherford). Se emplea para medir la
temperatura más baja del día, es un termómetro normalmente de alcohol con un
ensanchamiento bastante pronunciado en el tubo que se puede apreciar a simple vista,
por donde pasa un índice de esmalte, el termómetro Rutherford se coloca en una
posición horizontal de esta manera cuando la temperatura disminuye el índice es
arrastrado por el menisco que se forma en la extremidad de la columna de alcohol
quedando marcada la temperatura más baja del día, si la temperatura aumenta el
alcohol pasa entre las paredes del tubo sin poder desplazar al índice, de esta manera
se garantiza la lectura de la temperatura mínima.
Termómetro tipo Six de temperatura máxima y mínima (Rutherford). Consiste
en tubo en forma de U tubos llenos parcialmente de mercurio y guayacol.
En la Figura 2.5 se puede apreciar los distintos tipos de termómetros.
11
Fuente: Cortesía SENAMHI.
Figura 2.5 Distintos tipos de termómetros, a la izquierda el de tipo SIX, a la derecha arriba el termómetro
de Mínima y abajo el de Máxima.
2.2.3 HIGRÓMETRO.
Instrumento meteorológico que se utiliza para medir la Humedad relativa del ambiente, su
principio de funcionamiento es el pelo humano, gracias a la sensibilidad que tiene con la
presencia de humedad se contrae y se estira. Una determinada cantidad de pelos con una
longitud (x) está unida a un mecanismo y junto a una aguja muestra el porcentaje de la
humedad en una escala determinada. En la Figura 2.6 se muestra el Higrómetro.
Fuente: http://www.arqhys.com/construccion/sirve-higrometro.html.
Figura 2.6 Higrómetro.
2.2.4 BARÓMETRO.
En el Barómetro de Mercurio el principio básico de funcionamiento es que la presión de la
atmósfera se equilibre con el peso de la columna de mercurio, en meteorología se mide la
longitud de la columna de mercurio en una escala que tiene unidades de Presión.
12
En el Barógrafo Aneroide el principio básico de funcionamiento es el uso de una membrana
sensible a la variación de presión conectada a un mecanismo con aguja, puede graficar la
variación de presión, en un tambor que gira lentamente y contiene una hoja con escalas.
En la Figura 2.7 se muestra ambos instrumentos de medición.
Fuente: http://www.tiempo.com/ram/150/adecuado-uso-del-barometro/
Figura 2.7 Barómetro de Mercurio y Barógrafo Aneroide.
2.2.5 PLUVIÓMETRO.
El Pluviómetro instrumento que se utiliza para medir la precipitación, el modelo que se utiliza
es el de tipo Hellman, construido con materiales inoxidables, está constituido por un cilindro
cuya boca tiene una superficie de 300[cm2]. En la Figura 2.8 se puede apreciar el pluviómetro.
Fuente: http://www.agroterra.com/p/pluviometro-hellmann-200-litros-desde-valencia-19728/19728.
Figura 2.8 Pluviómetro tipo Hellman.
13
2.2.6 ANEMÓMETRO.
Instrumento que gira en un eje vertical con el mínimo de fricción, normalmente consta de 3
cazoletas que son parecidas a una semiesfera hueca, la cantidad de revoluciones en un
instante dado proporciona el valor de la velocidad del viento.
2.2.7 VELETA.
Instrumento al igual que el anemómetro gira en un eje vertical tiene en una de las puntas un
contra peso con punta y en la otra punta una cola que dirige a la veleta.
En la Figura 2.9 se muestran el anemómetro y la veleta.
.
Fuente: Cortesía SENAMHI.
Figura 2.9 A la izquierda Veleta y anemómetro tipo Wild, a la derecha anemómetro de cazoletas y veleta.
2.3 CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.
La clasificación de las estaciones meteorológicas es de acuerdo a los parámetros a ser
medidos y su aplicación, tenemos la siguiente clasificación.
1. Meteorológica de primer orden.
2. Meteorológica de segundo orden.
3. Meteorológica de tercer orden.
4. Meteorológica de cuarto orden.
Para más detalles consulte en el ANEXO A de la Página 88.
14
2.4 ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA
AUTÓNOMA.
2.4.1 MICROCONTROLADOR.
El uC es un circuito integrado, que en su interior posee toda la arquitectura de un computador,
esto es CPU (Central Processing Unit), memorias RAM (Random Access Memory),
EEPROM (Electrically Erasable Programmable), circuitos de entrada y salida. El uC de
fábrica por sí solo no realiza ningún tipo de tarea, se lo programa para poder realizar tan
simples tareas como la de encender un diodo led, hasta la tarea más complicada como ser el
control de un robot, claro que esto depende del tipo de uC a ser utilizado.
Entre las ventajas de un uC se tiene: la sencillez de manejo, elevada velocidad de
funcionamiento, precio accesible, varios entornos de desarrollo integrado, varios lenguajes
de programación, de bajo nivel hasta los de alto nivel, variedad de modelos, aumento de
prestaciones, aumento de la fiabilidad, y reducción del tamaño en el desarrollo de proyectos.
En la Figura 2.10 se muestra como está compuesto un uC.
Fuente: http://www.mikroe.com/chapters/view/81/capitulo-3-microcontrolador-pic16f887
Figura 2.10 Microcontrolador.
15
El uC que se utiliza en el presente proyecto es el PIC16F877A-I/P que pertenece a la familia
de uC de 8 bits (Bus de datos), cuyas características generales que lo distinguen de otras
familias son: la arquitectura Harvard, Tecnología RISC (Reduced Instruction Set Computer),
Tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Microchip presenta sus
PICs con empaquetado desde 8 pines hasta los 100 pines, cada tipo con sus variantes, se
pueden encontrar paquetes de tipo PDIP (Plastic Dual In Line Package), PLCC (Plastic
Leaded Chip Carrier) y QFP (Quad Flat Package), los cuales se muestran en la Figura 2.11.
Fuente: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?product=PIC16F877A
Figura 2.11 Empaquetado del uC PIC.
16
Y sus características principales son:
CPU RISC.
Frecuencia de operación de 0 a 20 MHz
Hasta 8k * 14 bits de memoria Flash de programa.
Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM).
Hasta 256 bytes de memoria de datos (EEPROM).
Protección programable de código.
Modo SLEEP de bajo consumo de energía.
Rango de Voltaje de operación 3.3 [V] a 5[V]
Rangos de temperatura: comercial, Industrial y extendido.
Bajo consumo de potencia.
Menos de 0.6mA a 3V, 3MHz.
20 uA a3V, 32 KHz.
Menos de 1uA corriente de stand by.
En la Tabla 2.2 se muestra un resumen de características y En la Tabla 2.3 Se muestran las
características de la familia 16F87XA.
Fuente: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?product=PIC16F877A
Tabla 2.2 Resumen De Características De La Familia 16F87XA.
17
Fuente: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?product=PIC16F877A
Tabla 2.3 Características de la familia 16F87XA.
El CAD del uC PIC 16F877A tiene una resolución máxima de:
𝑹𝒆𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏 =𝑽𝒊𝑴𝑨𝑿
𝟐𝒏⁄ =𝟓[𝑽]
𝟐𝟏𝟎⁄ = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒𝟗 [𝑽] = 𝟒. 𝟗 𝒎[𝑽]······(RES)
El resultado (RES) se interpreta como cada paso de bits, de 0Bits a 1023Bits, es igual a
4.9m[V], para cálculos de entradas analógicas el Conversor Analógico Digital (CAD) será
programado a 10Bits, se utilizara la siguiente ecuación a 10Bits.
𝑽 = 𝟓 ∗ 𝑩𝒊𝒕𝒔𝟏𝟎𝟐𝟑⁄ ······ (CAD)
Donde:
V Voltaje, Bits Número de 0 a 1023 que leerá el uC PIC.
En el ANEXO B de la página 92 se muestra parte de la hoja técnica del PIC16F877A I/A
(DATASHEET).
18
2.4.2 SENSOR DE TEMPERATURA.
Los posibles sensores a ser utilizados son el LM35 ó LM335, sus características son:
LM35:
Bajo costo de adquisición.
Salida analógica y en grados Celsius.
Reconoce 10m[V] por cada [oC].
Bajo consumo de corriente.
Rango de operación de -55[oC] a 150[oC].
Voltaje de alimentación de 4[[V]a 30[V]
LM335
Bajo costo relativo de adquisición.
Salida analógica y en grados Kelvin.
Reconoce 10 m[V] por cada oK.
Bajo consumo de corriente.
Rango de operación de -40oC a 100oC.
Para 0oC el voltaje de salida es de 2.65V.
Fácil calibración.
Voltaje de alimentación para sensor básico de temperatura 5[V]
Fuente: http://www.ti.com/product/
Figura 2.12 LM35 y LM335.
En el ANEXO C de la página 95 se dan más detalles de los sensores LM35 y LM335.
19
2.4.3 SENSOR DE HUMEDAD.
Los posibles sensores a ser utilizados son el HIH3610 series ó el HS1101 y sus características
son:
HIH3610 series:
Modelado con plástico thermoset con alojamiento con tapa.
Voltaje de salida lineal V vs. % HR.
Calibrados por láser.
Diseño de bajo consumo.
Alta exactitud.
Rápida respuesta.
Rendimiento estable, bajo desvió.
Rango de operación de -40oC a 85oC.
HS1101:
Sensor capacitivo.
Rápido tiempo de respuesta.
Apropiado para circuitos lineales o de impulsos.
Estructura de polímero solido Patentado.
Alta fiabilidad y largo tiempo de estabilidad.
Rango de operación de -40oC a 100oC.
Figura 2.13 HIH3610 series y HS1101.
Fuente: http://parallax.com/product/27920 y www.honeywell.com/sensing.
En el ANEXO D de la página 99 se dan más detalles de los sensores HIH3610 y el HS1101.
20
2.4.4 SENSOR DE PRESIÓN.
Los posibles sensores a ser utilizados son el MPS3110 series ó el MPX4115 y sus
características son:
MPS3110 series:
Fácil uso.
Rangos de medición hasta los 100PSI (6894,47hPa).
Gran fiabilidad.
Empaquetado SMD.
Rango de operación -40oC a 80oC.
MPX4115:
1.5 % de error máximo para temperaturas de 0° a 85° C.
Ideal para Sistemas basados en Microprocesadores o uC.
Temperatura de compensación para -40 ° a + 125° C.
Elemento durable.
Fuente: http://www.freescale.com/files/sensors/ y http://www.metrodyne.com.tw/datasheets/
Figura 2.14 MPX4115a y MPS 3110 SERIES.
En el ANEXO E de la página 104 se dan más detalles de los sensores MPS 3110SERIES y
el MPX4115.
2.4.5 SENSOR DE PRECIPITACIÓN.
El sensor de precipitación está constituido por un cilindro, que tiene un área colectora de
200cm2 para captar la lluvia, que pasa por un embudo hasta un estrechamiento de 2 mm y
21
cae en un sistema basculante de balancín ó cazoleta que se puede graduar en función de la
zona donde se lo instale. Esto produce una señal que el uC recibe y procesa. Pluviómetro es
el sensor de Precipitación que se utiliza en sistemas automáticos y se lo ilustra en la Figura
2.15, el Pluviómetro utilizado es el Modelo 260-7852 Colector de lluvia.
Fuente: http://www2.fices.unsl.edu.ar/~lea/instrumentalev.html
Figura 2.15 Partes Pluviómetro y Modelo 260-7852 Colector de Lluvia.
Las características del Modelo 260-7852 Colector de lluvia se muestran en el ANEXO F de
la página 109.
2.4.6 SENSOR DE VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO.
El posible sensor a ser utilizado es el anemómetro de Davis Instruments 7911 incluye
sensores de velocidad de viento y dirección, los componentes pueden detectar y soportar
vientos huracanados y es sensible a las brisas más ligeras.
Fuente: http://www.alphaomega-electronics.com/
Figura 2.16 Anemómetro Davis Instruments 7911.
Sus características se muestran en el ANEXO G de la página 110.
22
2.4.7 INTERFACE SERIAL RS – 232.
La norma RS-232 se incluye en las computadoras, conocido como el puerto serial y sirve
para comunicarse con otras computadoras, el mouse, programadores, impresoras, etc.
utilizando solo dos líneas para la comunicación la Transmisión (Tx) y la Recepción (Rx), la
Figura 2.17 muestra la forma de la comunicación serial.
Fuente: REYES, Carlos A.MICROCONTROLADORES PIC Programación en BASIC. 2008.
Figura 2.17 Estructura de un dato que envía a 2400bits/seg, sin paridad, 8 bits de dato y un bit de parada.
Como se aprecia en la Figura 2.17 la señal permanece en un nivel lógico alto mientras no
realiza ninguna transferencia de datos. Para empezar la transmisión de datos el transmisor
coloca la línea en nivel bajo durante el tiempo de un bit (416us para 2400bits/seg), esté se
llama el bit de arranque, a continuación empieza a transmitir con el mismo intervalo de
tiempo los bits de datos, que puedan ser de 7 u 8 bits, empezando por los bits menos
significativos y terminando en los más significativos.
Para que la lectura de los datos sea correcta, ambos equipos deben estar configurados a la
misma velocidad y demás parámetros y no exceder mas allá de 2 metros, pasando esta
distancia los datos recibidos no pueden ser los correctos, debido a la perdida de voltaje, ruido,
etc. para distancias mayores existe el protocolo RS232, cuyos niveles de voltaje están
establecidos de la siguiente manera: para señal 1 lógica (-5V a -15V) en el transmisor y
(-3V a -25V) en el receptor, para señal 0 lógica (+5V a +15V) en el transmisor y
(+3V a +25V) en el receptor, en síntesis es una lógica inversa, en la Figura 2.18 se muestra
lo dicho anteriormente.
23
Fuente: REYES, Carlos A.MICROCONTROLADORES PIC Programación en BASIC. 2008.
Figura 2.18 Comunicación serial con la norma RS232, el dato enviado es el mismo que el de la Figura
2.18.
Para la comunicación del uC PIC con la computadora personal utilizaremos el Circuito
Integrado MAX232 que se encargara de invertir los niveles lógicos del PIC 0 y 1 en niveles
de la norma RS232 -10V y +10V. En la Figura 2.19 se muestran los pines del MAX232.
Fuente: REYES, Carlos A.MICROCONTROLADORES PIC Programación en BASIC. 2008.
Figura 2.19 Pines del MAX232.
Para más detalles consulte el ANEXO H de la página 111.
2.4.8 COMUNICACIÓN I2C.
Muchos de los dispositivos electrónicos que se encuentran comúnmente en una tarjeta
electrónica, incluyen circuitos integrados con el bus I²C desarrollado por PHILIPS, como por
24
ejemplo las memorias 24LCXXX, los procesadores de señal, codificadores de video,
sensores de temperatura, RTC (Reloj de Tiempo Real), sensores ultrasónicos, etc.
El bus I²C (Inter Integrated Circuit) o interconexión de circuitos integrados necesita sólo 2
líneas para transmitir y recibir datos, estos son: para señal de datos (SDA) y para la señal de
reloj (SCL), esta forma de comunicación utiliza una sincronía con un tren de pulsos que viaja
en la línea SCL, de tal manera que en los flancos negativos se revisan los datos RX o TX. Su
velocidad de transmisión puede ser de 100Kbits/seg. en el modo standard, 400Kbits/seg. En
el modo rápido y 3,4Mbits/seg. En alta velocidad. Cada dispositivo conectado al bus tiene un
código de dirección seleccionable mediante software, por lo que existe una relación
permanente Master/Slave. El Master es el dispositivo que inicia la transferencia en el bus y
genera la señal de reloj (SCL), y el Slave es el dispositivo direccionado, sin embargo cada
dispositivo reconocido por su código (dirección), puede operar como transmisor o receptor
de datos, ya que la línea (SDA) es bidireccional.
En el Anexo I de la página 113 se presenta el datasheet del DS1307 y del 24C64.
2.4.9 SISTEMA AUTÓNOMO DE ALIMENTACIÓN DE ENERGÍA.
Si la EMA, es emplazada cerca de una red eléctrica o una ciudad, puede ser conectada a una
red de baja tensión de 220V AC, utilizando un adaptador de corriente que proporcione 5V a
12V DC necesarios para el funcionamiento de la EMA, ó puede utilizar un banco de pilas o
una batería de 9[V]. Si la EMA, es emplazada en un lugar alejado de la ciudad, donde es
difícil alcanzar la red eléctrica de 220[V], al usar pilas o una batería de 9[V] que se
descargaran rápidamente, dejando sin funcionamiento la EMA. Es por esta razón se ve
conveniente utilizar un sistema Autónomo de Energía que estará constituido por:
PANEL FOTOVOLTAICO.- Se encarga en transformar la energía de la radiación
que proporciona el sol en energía eléctrica de corriente continua, el módulo
fotovoltaico será de dimensiones un tanto mayores a las de una hoja de formato A3.
25
Fuente: Cortesía SENAMHI.
Figura 2.20 Panel Fotovoltaico.
REGULADOR DE VOLTAJE.- Se encargara de recibir el voltaje del panel solar,
distribuirlo tanto para (la EMA) y para el acumulador (batería)
Fuente: Cortesía SENAMHI.
Figura 2.21 Regulador de voltaje.
ACUMULADOR.- Su función es almacenar la energía necesaria para el
funcionamiento de la EMA durante la noche y en temporadas en las que el cielo se
encuentra nublado o con precipitación.
Fuente: Cortesía SENAMHI.
Figura 2.22 Acumulador.
26
2.5 ENTORNO DE DESARROLLO INTEGRADO (IDE) Y GRABADOR DEL
MICROCONTROLADOR.
2.5.1 MICROCODE STUDIO.
MicroCode Studio es un entorno de desarrollo integrado (IDE), diseñado exclusivamente
para la programación de los uCs PIC. Los procedimientos para programar son muy sencillos,
con la ayuda del compilador Pic Basic Pro (PBP), MicroCode Studio brinda un entorno muy
amigable a la hora de escribir el código del programa para luego ser compilado por PBP que
genera el archivo.hex necesario para el funcionamiento del uC.
Fuente: Captura de imagen del IDE MicroCode Studio.
Figura 2.23 El IDE de MicroCode Studio.
2.5.2 UNIVERSAL PICMICRO5 Y PICKIT2.
Universal PICMICRO5 es un grabador de PICs que utiliza el puerto RS-232, tiene la
posibilidad de grabar el archivo.hex en los uCs de 8 pines como ser el PIC 12F629, hasta los
de la gama media de 40 pines como ser el PIC 16F877A. Su forma física es como se ve en la
Figura 2.24
27
Fuente: REYES, Carlos A.MICROCONTROLADORES PIC Programación en BASIC. 2008.
Figura 2.24 UNIVERSAL PICmicro5.
PICKIT2 también es un grabador de PICs que utiliza el puerto USB (Universal Serial Bus) y
tiene la posibilidad de grabar el archivo.hex en los uCs de 8 pines como ser el PIC 12F629,
hasta los de 40 pines de la gama mejorada como ser el 18F4550. Su forma física es como se
ve en la Figura 2.25.
Fuente: http://electronicaml.blogspot.com/
Figura 2.25 PICKIT2.
28
CAPITULO III
3 INGENIERÍA DEL PROYECTO
3.1 PARÁMETROS DE DISEÑO.
Los parámetros de diseño se basan en los datos meteorológicos del observatorio de
Laykacota, correspondientes al año 2012, proporcionados por el SENAMHI, (SERVICIO
NACIONAL DE METEOROLOGIA E HIDROLOGIA). Las variables meteorológicas que
se consideran en el presente proyecto son: la, Temperatura del Aire, Humedad Relativa,
Presión Atmosférica, Precipitación, Velocidad y Dirección del Viento. Con sus
correspondientes valores máximos, mínimos y promedios1. En el Anexo J de la página 117
se presenta más detalles.
𝑇𝑀𝐴𝑋 = 26,1[] 𝑇𝑀𝐼𝑁 = −1,6[ 𝐶𝑜 ] 𝑃𝑅𝑂𝑀 = 15[ 𝐶𝑜 ]
𝐻𝑀𝐴𝑋 = 98[%] 𝐻𝑀𝐼𝑁 = 18[%] 𝑃𝑅𝑂𝑀 = 50[%]
𝑃𝑀𝐴𝑋 = 66,9[ℎ𝑃𝑎] 𝑃𝑀𝐼𝑁 = 66,2[ℎ𝑃𝑎] 𝑃𝑅𝑂𝑀 = 66,5[ℎ𝑃𝑎]
𝐿𝐿𝑀𝐴𝑋 = 66.6[𝑚𝑚] 𝐿𝐿𝑀𝐼𝑁 = 0[𝑚𝑚] 𝐿𝐿 𝑃𝑅𝑂𝑀 = 30[𝑚𝑚]
𝑉𝑀𝐴𝑋 = 49[𝑚𝑠⁄ ] 𝑉𝑀𝐼𝑁 = 0[𝑚
𝑠⁄ ] 𝑃𝑅𝑂𝑀 = 12,3[𝑚𝑠⁄ ]
𝐷𝑀𝐴𝑋 = 360[𝑂] 𝐷𝑀𝐼𝑁 = 0[𝑂] 𝑃𝑅𝑂𝑀 = 160[𝑂]
𝐼𝑀𝐴𝑋 = 0,99[ℎ] 𝐼𝑀𝐼𝑁 = 0[ℎ] 𝐼𝑅𝑂𝑀 = 0,66[ℎ]
Siendo:
𝑇𝑀𝐴𝑋, 𝑇𝑀𝐼𝑁, 𝑃𝑅𝑂𝑀. Temperatura del aire Máxima, Mínima y Promedio medida en Grados
Celsius [].
𝐻𝑀𝐴𝑋, 𝐻𝑀𝐼𝑁, 𝑃𝑅𝑂𝑀. Humedad Relativa Máxima, Mínima y Promedio medida en porcentaje
[%].
________________________________________________________________________________
1: www.senamhi.gob.bo/sismet/.
29
𝑃𝑀𝐴𝑋, 𝑃𝑀𝐼𝑁, 𝑃𝑅𝑂𝑀. Presión Atmosférica Máxima, Mínima y Promedio medida en hecto
Pascales [ℎ𝑃𝑎].
𝐿𝐿𝑀𝐴𝑋, 𝐿𝐿𝑀𝐼𝑁, 𝐿𝐿 𝑃𝑅𝑂𝑀. Precipitación Máxima, Mínima y Promedio medida en
milímetros [𝑚𝑚].
𝑉𝑀𝐴𝑋, 𝑉𝑀𝐼𝑁, 𝑃𝑅𝑂𝑀. 𝐷𝑀𝐴𝑋, 𝐷𝑀𝐼𝑁, 𝑃𝑅𝑂𝑀. Velocidad/Dirección del Viento Máxima, Mínima
y Promedio medida en metros por segundo [𝑚𝑠⁄ ] y medida en grados sexagesimales [𝑂]
respectivamente.
𝐼𝑀𝐴𝑋, 𝐼𝑀𝐼𝑁, 𝐼𝑅𝑂𝑀. Insolación Máxima, Mínima y Promedio medida en porcentaje de sol en
una hora [ℎ].
La autonomía del sistema de energía eléctrica tendrá una duración de 3[días], que equivalen
a 72[horas]. Para poder garantizar el continuo funcionamiento de la EMA y no tener pérdida
de información.
El parámetro más importante para realizar el diseño es la temperatura, que puede tener un
valor negativo “Temperatura por debajo del punto de congelación del agua -10 []” o
positivo +27 [], el uC PIC 16F877A, los circuitos integrados RTC DS1307, MEMORIA
EEPROM 24C64, MAX-232, los sensores y demás elementos electrónicos funcionan dentro
los rangos de temperatura TMAX y TMIN teniendo un funcionamiento correcto entre -40. []
a +80 []. Consulte los Anexos B, C, D, E, F, G, H e I.
3.2 DISEÑO DEL HARDWARE PARA LA TOMA DE DATOS.
3.2.1 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS, CONTROL, COMUNICACIÓN Y
VISUALIZACIÓN.
Para el sistema de adquisición de datos se realiza la simulación en PROTEUS, donde se
pueden apreciar los componentes utilizados como ser el Microcontrolador, la pantalla LCD
(Pantalla de Cristal Líquido) 2*16, C.I. MAX232, C.I. DS1307, C.I. 24C64, el cristal
Oscilador de 4MHz, dos capacitores cerámicos de 22pf, pulsador de Reinicio y otros, todo el
sistema funciona con 5[V] DC.
30
La conexión de los anteriores componentes es recomendada por el fabricante y por software
se definen las conexiones de los sensores, LCD, pulsadores, memoria EEPROM y RTC,
usando las declaraciones que ofrece PBP. En la Figura 3.1 se muestra parte de la simulación
en PROTEUS.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.1 Simulación en PROTEUS del Sistema de adquisición de datos.
A continuación. Líneas del programa. Con las declaraciones DEFINE para definir los pines
del LCD, el cristal, ADCON1 Define las entradas analógicas.
; Incluir modos de Comunicación...............................................................................
INCLUDE “MODEDEFS.BAS”
; Definiendo el Oscilador.............................................................................................
DEFINE OSC 4 ; Cristal oscilador de 4000000 Hz
; Definiendo las conexiones del LCD..........................................................................
DEFINE LCD_DREG PORTB ; usamos puerto B como salida de datos
DEFINE LCD_BBIT 4 ; definimos el uso de 4 bits
DEFINE LCD_DBIT 4 ; solo usamos 4 bits altos (RB4-RB7)
31
DEFINE LCD_RSREG PORTB ; RS va conectado a puerto B
DEFINE LCD_RSBIT 2 ; RS conectado a RB2
DEFINE LCD_EREG PORTB ; E va conectado a puerto B
DEFINE LCD_EBIT 3 ; E conectado a RB3
; Definiendo parámetros del CONVERSOR ANALOGICO DIGITAL..........................
DEFINE ADC_BITS 10 ; Conversor analógico-digital a 10 bits (de 0 a 1023)
DEFINE ADC _CLOCK 3 ; Reloj de conversión
DEFINE ADC _SAMPLEUS 50 ; pausa del CAD
; Definiendo entradas analógicas..................................................................................
TRISA=%11111111 ; Los pines del puerto A 0,1.,2,3 y 4 son de entrada
ADCON1=%10000010 ;los pines del PIC16F877A 0,1,2,3 y 4 son definidos
; Como conversores analógicos digitales CAD
; Variables del Reloj de Tiempo Real (RTC).......................................................
SEGU VAR BYTE ;definir tamaño de variable segundos 1 a 255
MINU VAR BYTE ;variable para los minutos
HORA VAR BYTE ;variable para las horas
DIAF VAR BYTE ;variable día fecha del mes
MES VAR BYTE ;variable mes
ANIO VAR BYTE ;variable año de 2 dígitos
Las conexiones BOTÓN DE REINICIO, LCD A, son conectadas a los pines MCLR “1”,
RD0 “19”, del uC con resistencias de 10K[Ω] para producir un voltaje de 5[V] y al ser
presionados el voltaje tendrá el valor de 0[V], de esta manera se interpreta una acción para
32
el uC, con el C.I. DS1307 se puede implementar un reloj calendario que controlara la hora
de almacenamiento de información, la conexión se muestra en la figura 3.2.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.2 Reloj/Calendario de tiempo Real.
A continuación. Líneas del programa para el RTC utilizando el protocolo I2C y la declaración
I2CWRITE e I2CREAD.
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,1,[MINU] ; Lectura de los minutos
PAUSE 10 ; Pausa de 10m[s] necesaria para la lectura.
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,2,[HORA] ; Lectura de la hora
PAUSE 10
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,4,[DIAF] ; Lectura del día fecha
PAUSE 10
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,5,[MES] ; Lectura del mes
PAUSE 10
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,6,[ANIO] ; Lectura del año
33
El sistema de almacenamiento de datos consta de una memoria EEPROM 24C64 que brinda
8191 Bytes de almacenamiento, cada Byte tiene la posibilidad de guardar información
numérica de 0 a FF en el sistema Hexadecimal, en el sistema Decimal de 0 a 255. Como se
muestra en la Figura 3.3.
Fuente: Elaboración propia, Captura de imagen PICKIT 2.
Figura 3.3 Espacio de almacenamiento de la Memoria EEPROM 24c64.
En la Figura 3.4 se aprecia la forma de almacenamiento de datos, para la Fecha-Hora y los
valores de los sensores.
Fuente: Elaboración propia, Captura de imagen PICKIT 2.
Figura 3.4 Almacenamiento de información en la memoria EEPROM con 6 sensores conectados.
34
Calculo del tiempo de almacenamiento para la memoria EEPROM 24LC64, se considera 12
lecturas diarias y 16 Bytes usados por cada lectura
8192 [𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠]
16 [𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠
ℎ𝑜𝑟𝑎⁄ ]= 512 [ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠]
512 [ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠]
12 [ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠𝑑𝑖𝑎⁄ ]
= 42,67 [𝑑𝑖𝑎𝑠] = 42 [𝑑𝑖𝑎𝑠] 𝑦 16 [ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠] ······ (EEPROM)
Por lo tanto el tiempo de almacenamiento de la Memoria EEPROM es de 42 días y 16 horas.
Antes del día 42 se deben descargar los datos almacenados, de lo contrario dichos datos se
perderán. El mismo Cálculo se aplica para una EMA de 4to Orden, teniendo en cuenta que
para guardar la Fecha-Hora y el valor de la precipitación se usan 7 bits como se muestra en
la Figura 3.5, teniendo la memoria EEPROM 24C64 una capacidad para almacenamiento de
información durante 97 Días.
Fuente: Elaboración propia, Captura de imagen PICKIT 2.
Figura 3.5 Almacenamiento de información en la memoria EEPROM con el Pluviómetro conectado.
La lectura y el grabado de los datos se realizan en las siguientes horas.
1o A las 00:00 horas.
2o A las 2:00 horas.
3o A las 4:00 horas.
4o A las 6:00 horas.
5o A las 8:00 horas.
35
6o A las 10:00 horas.
7o A las 12:00 horas.
8o A las 14:00 horas.
9o A las 16:00 horas.
10o A las 18:00 horas.
11o A las 20:00 horas.
12o A las 22:00 horas.
Las resistencias R.ESDA y R.ESCL son del valor de 4.7KΩ que el fabricante recomienda
para un buen funcionamiento, tales resistencias tienen que estar conectadas a los pines SCK
que sincroniza el uC con la memoria EEPROM y SDA envío y recepción los datos entre uC
y la memoria EEPROM, la conexión es como la que se muestra en la Figura 3.6.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.6 Sistema de almacenamiento de información.
A continuación. Líneas del programa para la memoria EEPROM utilizando el protocolo I2C
y la declaración I2CWRITE e I2CREAD.
;·············· ·······························GRABAR_DATOS:············ ·······························
I2CWRITE E_SDA,E_SCL,CONTROL,DIR,[TEM] ; Escritura del valor de TEM
PAUSE 10 ; Pausa de 10ms necesaria para la correcta escritura
36
DIR=DIR+1 ; incremento de la dirección a grabar
I2CWRITE E_SDA,E_SCL,CONTROL,DIR,[HUM] ;Escritura del valor de HUM
PAUSE 10
DIR=DIR+1 ; nuevo incremento de la dirección a grabar
I2CWRITE E_SDA,E_SCL,CONTROL,DIR,[PRES] ;Escritura del valor de PRES
PAUSE 10
La comunicación de la PC con el DATALOGGER, se consigue con el C.I. MAX232
conectado con condensadores electrolíticos de 1uF, los pines T1IN, R1IN son conectados al
uC y los pines T1OUT, R1OUT van al conector DB9 Hembra, que se conectara con la PC.
La Figura 3.7 muestra la conexión.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.7 Sistema de comunicación con la PC.
La comunicación con la PC requiere la inclusión de la librería MODEDEFS.BAS. La
declaración SERIN y SEROUT, permiten manipular el envío y recepción de la información.
INCLUDE "MODEDEFS.BAS" ; Librería para la comunicación serial
37
SERIN PORTC.7,T9600,SER_IN ;Configuración de la transmisión de datos
IF SER_IN= "T" THEN TOMA_DATOS ; Entrada serial
IF SER_IN= "D" THEN DESCARGA_DATOS ; Entrada serial
3.2.2 SUBSISTEMA DE SENSORES.
El subsistema de sensores, se simula en PROTEUS, con pulsadores para los sensores
Precipitación, Velocidad del Viento; potenciómetros para los sensores de Temperatura,
Humedad, Presión y Dirección del Viento, como se muestra en la Figura 3.8 y Figura 3.9.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.8 Simulación de sensores de Temperatura, Humedad y Presión.
38
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.9 Simulación de sensores de Lluvia, Velocidad del Viento y Dirección del Viento.
A continuación. Líneas del programa que se utilizan en la simulación de PROTEUS.
;················ ····················TEMPERATURA·······································
ADCIN 0, TEM
;··················· ······················HUMEDAD··········································
ADCIN 1, HUM
;·················· ··························PRESION··········································
ADCIN 2, PRES
;························ ························LLUVIA·········································
IF PLUVIO=1 THEN
PLU=PLU+1
39
LLU=LLU+2
;···························VELOCIDAD DEL VIENTO································
COUNT VELOC,100, VELV
;···························DIRECCION DEL VIENTO································
ADCIN 3, DIRV
3.2.3 CALCULO DE SENSORES METEOROLÓGICOS CON PARTES MOVILES.
Los sensores que se calculan en el presente proyecto, son los que comprenden de partes
móviles como ser el Pluviómetro, Anemómetro y Veleta; el cálculo de dimensiones, de cada
sensor dependerá del funcionamiento mecánico, electrónico y del tipo de material empleado
como ser: Planchas de acero inoxidable, fibra de vidrio, tubos de acero inoxidable, cables de
cobre y otros materiales disponibles en el mercado local.
3.2.3.1 CALCLULO DE DIMENSIONES DEL PLUVIÓMETRO.
Se analiza la lluvia que cae en un área de un metro cuadrado, llueve por un determinado
tiempo y la superficie del suelo es impermeable, el agua de la lluvia en la superficie llega a
tener una altura de 1[mm], entonces el volumen de agua es igual a 1000[cm3] que equivale a
1[lt] de agua, esto se ilustra en la Figura 3.10.
Fuente: Elaboración propia, imagen generada del Software AUTOCAD.
Figura 3.10 Superficie impermeable y agua de lluvia
𝐴𝑆𝑈𝑃 = 𝑎 ∗ 𝑎 = 1 [𝑚2]
ℎ = 1 [𝑚𝑚]
𝑉𝑆𝑈𝑃 = 𝐴𝑆𝑈𝑃 ∗ ℎ
40
∴ 𝑉𝑆𝑈𝑃 = 1 [𝑚2] ∗ 1 [𝑚𝑚] = 1000 [𝑐𝑚3] = 1 [𝑙𝑡] ······ (1)
Con el dato (1) se calcula el diámetro del área colectora del pluviómetro, teniendo en cuenta
que:
Para el cálculo se reduce 50 veces el área.
El volumen siempre se mantiene constante, Figura 3.11.
Fuente: Elaboración propia, imagen generada del Software AUTOCAD.
Figura 3.11 Área colectora del pluviómetro y volumen constante
𝐴𝑆𝑈𝑃 = 50𝐴𝑃𝐿𝑈𝑉
𝐴𝑃𝐿𝑈𝑉 =𝜋𝐷𝑃𝐿𝑈𝑉
2
4
𝐴𝑆𝑈𝑃 =50𝜋𝐷𝑃𝐿𝑈𝑉
2
4
𝐷𝑃𝐿𝑈𝑉 = √4𝐴𝑆𝑈𝑃
50𝜋= √
4[𝑚2]
50𝜋
∴ 𝑑 = 𝐷𝑃𝐿𝑈𝑉 = 15,9 [𝑐𝑚] = 159 [𝑚𝑚] ······(2)
El área colectora del pluviómetro es 50 veces menor al área de la superficie del suelo, 5[mm]
de lluvia en el pluviómetro equivale a 100 [cm3] de lluvia.
𝑉𝑆𝑈𝑃 = 𝑉𝑃𝐿𝑈𝑉 = 𝐴𝑃𝐿𝑈𝑉 ∗ 𝑦
41
𝑦 =𝑉𝑆𝑈𝑃
𝐴𝑃𝐿𝑈𝑉=
1000 [𝑐𝑚3]
200 [𝑐𝑚2]
∴ 𝑦 = 5 [𝑐𝑚] = 50 [𝑚𝑚] ······ (3)
El resultado (3) se interpreta como: 50[mm] de lluvia dentro del pluviómetro equivale a
1[mm] de lluvia en la superficie del suelo
𝑦 = 50ℎ ······(i)
El volumen de 100[cm3] en el pluviómetro representa una altura de ho=0,1[mm] de lluvia en
la superficie del suelo. Se consideran las anteriores proposiciones para proceder al cálculo
del volumen de lluvia que representa el volumen total en la superficie del suelo.
Si ho=0.1 [mm] → yo=5 [mm]
𝑉𝐿𝐿𝑈 = 𝐴𝑆𝑈𝑃 ∗ ℎ𝑜
𝑉𝐿𝐿𝑈 = 10000 [𝑐𝑚2] ∗ 0,1 [𝑚𝑚]
∴ 𝑉𝐿𝐿𝑈 = 𝑉𝑆𝑈𝑃1 = 100 [𝑐𝑚3] ······ (4)
Cuando la lluvia en la superficie es de 0,1 [mm] también lo será en el área colectora del
pluviómetro, la relación de volúmenes es:
𝑉𝑆𝑈𝑃1 = 50𝑉𝑃𝐿𝑈𝑉1
𝑉𝑃𝐿𝑈𝑉1 =𝑉𝑆𝑈𝑃1
50
∴ 𝑽𝑷𝑳𝑼𝑽𝟏 = 𝟐 [𝒄𝒎𝟑] ····· (5)
El resultado (5) se interpreta como: 2[cm3] de lluvia dentro del pluviómetro equivalen a
100[cm3] de lluvia ó 0,1[mm] de altura de lluvia en la superficie del suelo. El balancín se
dimensiona en función al dato anterior, el material que se utilizara es tubo de PVC y su forma
es coma se muestra en la Figura 3.12.
42
Fuente: Elaboración propia, imagen generada con el Software AUTOCAD.
Figura 3.12 Sistema basculante del pluviómetro “Balancín”.
Las dimensiones del balancín se calculan considerando que: entre l, e, h´ y b tiene que
contener 2[cm3] para poder vencer el peso del balancín, los valores de h=30[mm], e=25[mm]
y x=2h´ se utilizan para el cálculo.
𝒙 = 𝟐𝒉´ = 𝟐 ∗ 𝟑𝟎 = 𝟔𝟎 [𝒎𝒎]
𝒃´ =𝒉´
𝟐= 𝟏𝟓 [𝒎𝒎]
𝒃 = 𝟒𝟓 [𝒎𝒎]
Para obtener la señal eléctrica, existen dos posibilidades:
1. Utilizando un contacto, que al pasar un campo magnético, una dos placas ferro
magnéticas, conductoras y fluya la corriente (un interruptor magnético).
2. Utilizando bornes conectados a los extremos del balancín para cerrar el circuito y
fluya la corriente.
En el presente proyecto se utilizara la primera forma.
Los materiales necesarios para la construcción del pluviómetro son:
Plancha de acero inoxidable de 0,3 [mm] de espesor 4*8 [pie]
(1219*2418[mm2]).para la construcción de la parte externa del pluviómetro.
Fibra de vidrio para la construcción del balancín y su respectivo soporte ó plancha de
acero inoxidable de 0,3 [mm].
43
Interruptor magnético con su respectivo imán.
5 [m] cable de cobre, de 2 hilos con recubrimiento de PVC calibre18 AWG.
A continuación se muestra líneas del programa para el Pluviómetro.
;································LLUVIA·········································
IF PLUVIO=0 THEN ; Si en el balancín hay 2 [cm3] de lluvia, se generara un pulso
PAUSE 230 ; Retardo de 230[ms] para que no exista rebote del pulso
LLU=LLU+2 ; Contador de la parte decimal 0.2 incrementa de dos en dos
IF LLU=10 THEN ; Si el contador decimal es 10 realiza lo siguiente
LLU=0 ; El contador decimal vuelve a ser cero
PLU=PLU+1 ; Contador de la parte entera 1.0 incrementa en unidades
ENDIF ; Final de la selección IF LLU=10
ENDIF ;Final de la selección IF PLUVIO=0
3.2.3.2 CALCULO DE DIMENSIONES DEL ANEMÓMETRO.
Para el cálculo del anemómetro de 3 cazoletas semiesféricas huecas las consideraciones que
se toman son:
Tiene que existir equilibrio entre las tres cazoletas.
Se desprecia toda forma de rozamiento.
La velocidad tiene una tendencia lineal en función de la frecuencia de los pulsos.
Para el análisis se considera el anemómetro de Robinson2, que se muestra en la Figura 3.13.
________________________________________________________________________________ 2: Jhon T. R. Robinsom (1792-1882)
44
Fuente: Seminario de mecánica de fluidos EPS curso 2008.
Figura 3.13 Anemómetro de Robinson.
La ecuación utilizada es la (ii), una constante propia del anemómetro de tres cazoletas que
resulta del análisis de momentos aplicados en el punto O, el resultado de k es independiente
de las dimensiones del anemómetro, solo depende del CDa coeficiente de arrastre de la
cazoleta en la parte cóncava y CDb coeficiente de arrastre de la cazoleta en la parte convexa.
𝑘 =2(𝐶𝐷𝑎+𝐶𝐷𝑏)±3√3√𝐶𝐷𝑎𝐶𝐷𝑏
2𝐶𝐷𝑎−𝐶𝐷𝑏 ······ (ii)
Los valores de los coeficientes son:
CDa=1.4
CDb=0.4
Reemplazados los anteriores valores en (ii) tenemos el valor de k.
𝒌 = 𝟑, 𝟎 ; 𝑘 = −0,2
Solo se utiliza el valor positivo de k. La Figura 3.14, es para el análisis de la velocidad angular
considerando que la constante k se multiplica a la ecuación de la velocidad del viento.
45
Fuente: Elaboración propia, imagen generada del Software AUTOCAD.
Figura 3.14 Anemómetro de 3 cazoletas con disco de ranuras.
La velocidad angular en el disco y en las cazoletas es la misma.
𝜔 =𝑣𝐷
𝑟=
𝑣𝑉
𝑅 ······ (6)
De la ecuación (6) se debe calcular vV.
𝑣𝑉 = 𝜔 ∗ 𝑅······ (7)
A la ecuación (7) se introduce la constante k, teniendo la siguiente ecuación.
𝑣𝑉 = 𝜔 ∗ 𝑅 ∗ 𝒌 ······ (8)
zPULSOS=zP=8, es el número de ranuras del disco de la Figura 3.15. Que equivale a una
revolución ó 2𝜋[rad], para medir la velocidad del viento es necesaria la frecuencia de los
pulsos, siendo xP la variable del número de pulsos en un determinado tiempo, donde el
cociente:
𝑥𝑃𝑧𝑃
⁄ ; 𝑧𝑃 ≠ 0
Es el número de revoluciones que da el disco en un determinado tiempo y se entiende de la
siguiente manera:
xP=zP: Es igual a una revolución completa.
46
xP<zP: Es menor a una revolución.
xP>zP: Es mayor a una revolución.
Con el anterior análisis se deduce que:
𝜔 =𝑥𝑃
(𝑧𝑃 ∗ 𝑡) ⁄ [𝑟𝑒𝑣
𝑠𝑒𝑔] ······ (iii)
1𝑟𝑒𝑣 = 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 ······ (iv)
Fuente: Elaboración propia, imagen generada del Software AUTOCAD.
Figura 3.15 Disco con n ranuras.
La ecuación ((iv) en (iii)), esta nueva ecuación en (8) y como resultado final se tiene.
∴ 𝒗𝑽 =(𝟐𝝅 ∗ 𝑹 ∗ 𝒙𝑷)
(𝒛𝑷 ∗ 𝒕)⁄ ∗ 𝒌 ≈ (𝟗𝟒𝟖𝟎𝟎𝒕⁄ ) ∗ 𝒙𝑷 ≈ (𝟗
𝟕𝟕𝒕⁄ ) ∗ 𝒙𝑷······ (9)
Con la ecuación (9) se calcula el valor de la velocidad del viento, considerando en el código
del programa que: zP es el número de ranuras del disco, t es el tiempo en el cual se mide la
cantidad de pulsos, su valor es de 10000[ms]=10[s] y xP es la cantidad de pulsos en un diez
segundos. El funcionamiento del optoacoplador es: al interrumpir al diodo emisor el voltaje
la salida es 0 y al estar en la ranura genera un pulso, como se muestra en la Figura 3.16, el
cálculo de la velocidad del viento es independiente del área de la cazoleta, el radio del centro
de rotación al centro de la cazoleta es R=50[mm], empleado para el cálculo de la velocidad
del viento vV en la ecuación (9), con el diámetro de las cazoletas DCAZOLETA=40[mm]
empleado en la construcción del anemómetro.
47
Fuente: REYES, Carlos A.MICROCONTROLADORES PIC Programación en BASIC. 2008.
Figura 3.16 Conexión del Optoacoplador.
Los materiales necesarios para la construcción del Anemómetro son:
Tubo de acero inoxidable de 3[”], 88,90[mm] diámetro exterior, 82,80[mm]. diámetro
interior, 3,05[mm] espesor de pared por 5[”] de longitud para la construcción de la
parte externa del anemómetro con dos reducciones de 3[”] a 1 1/2[”].
Fibra de vidrio para la construcción del disco con 8 ranuras y las cazoletas con sus
respectivos ejes.
Eje de acero inoxidable de 5[mm] de diámetro por 5[”] de longitud. Y cojinetes o
rodamientos para el eje.
Un optoacoplador ECG3100, transistor 2N3906 y resistencias.
6 [m] cable de cobre, de 4 hilos con recubrimiento de PVC calibre18 AWG.
A continuación. Líneas del programa para el sensor de velocidad, se utiliza la declaración
COUNT para medir la cantidad de pulsos en un tiempo dado.
;···························VELOCIDAD DEL VIENTO································
COUNT VELOC,1000, VELV ;Contador de pulsos
VV=9*VELV ;Operación auxiliar
VV=VV/77 ;Operación auxiliar
48
3.2.3.3 CALCULO DE DIMENSIONES DE LA VELETA
El cálculo de la veleta se basa en la figura 3.17, considerando la distancia dC de la cola es 3
veces mayor a la distancia dCD del contra peso.
Fuente: Elaboración propia, imagen generada del Software AUTOCAD.
Figura 3.17 Veleta.
∑ 𝑀𝑅 = 0
𝑚𝐶 ∗ 𝑔 ∗ 𝑑𝐶 = 𝑚𝐶𝑃 ∗ 𝑔 ∗ 𝑑𝐶𝑃·······(10)
Con la anterior consideración de la masa y la gravedad constante se tiene:
𝟑𝒎𝑪 = 𝒎𝑪𝑷·······(11)
La distancia de la cola “dC” es de 100[mm], la distancia dCP del contrapeso tendrá 33[mm],
la masa del contra peso “mCP” es 60[g] y la masa de la cola “mC” será de de 20[g], los
anteriores valores serán empleados para la construcción de la veleta.
La parte principal del sensor de dirección del viento es un potenciómetro rotativo o sin fin de
5K[Ω], empleando dos de sus tres terminales para la alimentación de 5[V] DC, el pin de
salida genera un voltaje de 0[V] a 5[V] DC. Que el uC interpreta como un valor de 0 a 1023
utilizando una conversión a 10Bits y el código del programa interpretara la medida de 0 a
360 grados sexagesimales, se aprecia lo anterior en la tabla 3.1, en la Grafica 3.1 y en la
Figura 3.18
49
Voltaje V Conversor
a 10 bits Angulo
5 1023 360
3,75 767 270
2,5 511 180
1,25 255 90
0 0 0
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 3.1 Voltaje, CAD y ángulo.
Fuente: Elaboración propia, gráfico generado en Microsoft Excel.
Grafico 3.1 Voltaje Vs. Ángulo ó Dirección.
Fuente: http://ziickpaininfiniteoo.blogspot.com/2011/11/potenciometro.html
Figura 3.18 Potenciómetro Rotativo.
y = 0,0139xR² = 1
0
2
4
6
0 100 200 300 400
Voltaje Vs. Ángulo
Voltaje Vs.
Angulo
50
Aplicando la ecuación de la recta a la gráfica 3.1:
𝑉 − 2.5 =3,75 − 2,5
270 − 180∗ (𝛼 − 180)
𝛼 = (9000125⁄ ) ∗ 𝑉······ (12)
La ecuación (CAD) en la ecuación (12).
∴ 𝜶 = (𝟏𝟐𝟎𝟑𝟒𝟏⁄ ) ∗ 𝑩𝒊𝒕𝒔 ≈ (𝟐𝟎
𝟓𝟕⁄ ) ∗ 𝑩𝒊𝒕𝒔 ≈ (𝟕𝟐𝟎⁄ ) ∗ 𝑩𝒊𝒕𝒔 ······· (13)
La ecuación (13) permite calcular la Dirección del Viento y se la inserta en el código del
programa.
Los materiales necesarios para la construcción del Anemómetro son:
Tubo de acero inoxidable de 3[”], 88,90[mm] diámetro exterior, 82,80[mm]. diámetro
interior, 3,05[mm] espesor de pared por 5[”] de longitud para la construcción de la
parte externa del anemómetro con dos reducciones de 3[”] a 1 1/2[”].
Fibra de vidrio para la construcción de la Veleta y acople al potenciómetro rotativo.
Eje de acero inoxidable de 5[mm] de diámetro por 5[”] de longitud. Y cojinetes o
rodamientos para el eje.
Un potenciómetro rotativo de 5[kΩ].
6 [m] cable de cobre, de 4 hilos con recubrimiento de PVC calibre18 AWG.
A continuación. líneas del programa para el sensor de Dirección del Viento, utilizando la
declaración ADCIN, que mide la variación del potenciómetro de (0Bits a 1023Bits) a diez
Bits de conversión, su equivalente en voltaje es de 0[v] a 5[V].
;···························DIRECCIÓN DEL VIENTO································
ADCIN 3, DIRV ; Lectura del Conversor Analógico digital
DV=7*DIRV ; Operación auxiliar
DV=DV/20 ; Ultima operación auxiliar que da el resultado en grados
51
3.2.4 SELECCIÓN DE SENSORES
3.2.4.1 SENSOR DE TEMPERATURA.
El sensor de temperatura seleccionado es el LM335, por su valor estándar de 0[oC] para un
voltaje de 2.73[V] e incrementos de 10m[V] por cada [oC], su comportamiento es lineal como
se muestra en la gráfica 3.3, que presenta los valores en grados Celsius, la alimentación es de
5[V] DC.
Fuente: http://proyectosfie.com/html/documentos/
Grafico 3.2 Temperatura vs. Voltaje de salida del sensor LM335.
Aplicando la ecuación de la recta a la Gráfica 3.2:
𝑉 − 2.93 =3,03 − 2,93
40 − 30∗ (𝑇 − 20)
𝑇 = 100𝑉 − 273······ (14)
La ecuación (CAD) en la ecuación (14).
∴ 𝑻 = (𝟓𝟎𝟎𝟏𝟎𝟐𝟑⁄ ) ∗ 𝑩𝒊𝒕𝒔 − 𝟐𝟕𝟑 ≈ (𝟐𝟏
𝟒𝟑⁄ ) ∗ 𝑩𝒊𝒕𝒔 − 𝟐𝟕𝟑 ······· (15)
52
La ecuación (15) es la que permite calcular la Temperatura Ambiente que se inserta en el
código del programa, con el valor de 559Bits que representa el voltaje de 2.73[V] para 0[oC].
A continuación se muestra, líneas del programa para el sensor de Temperatura Ambiente,
utilizando la declaración ADCIN, que mide la variación de 0Bits a 1023Bits a diez Bits de
conversión, el equivalente en voltaje es de 0[V] a 5[V] y la declaración IF THEN, que
selecciona la temperatura positiva si se cumple la condición o selecciona la temperatura
negativa si no se cumple la condición.
;····························TEMPERATURA AMBIENTE···························
ADCIN 0, TEM ; Lectura del Conversor Analógico Digital
IF TEM > 559 THEN ; Condición para calcular la Temperatura Positiva o Negativa
TP=TEM*21;
TP=TP/43 ; Cálculo de la temperatura Positiva
TP=TP-273 ;
ELSE;
TN=TEM*21;
TN=TN/43 ; Cálculo de la temperatura Negativa
TN=273- TN;
ENDIF ; Fin Del IF THEN
3.2.4.2 SENSOR DE HUMEDAD.
El sensor HIH3610 series de Humedad Relativa es un sensor capacitivo, tiene la salida de
Humedad Relativa lineal en función del voltaje, de 0[%] a 100[%] y no requiere un circuito
acondicionador como el HI1110. En la gráfica 3.3 se muestra el rango de HR vs. V, la
alimentación es de 5[V] DC
53
Fuente: http://www.honeywell.com/sensing.
Grafico 3.3 Humedad Relativa vs. Voltaje de salida del sensor HIH3610.
Aplicando la ecuación de la recta a la Gráfica 3.3 se tiene:
𝑉 − 2.0 =3,2 − 2,0
80 − 40∗ (𝐻 − 40)
𝐻 =(100𝑉 − 80)
3⁄ ······ (16)
La ecuación (CAD) en la ecuación (16).
∴ 𝑯 =(𝟓𝟎𝟎𝑩𝒊𝒕𝒔 − 𝟖𝟏𝟖𝟒𝟎)
𝟑𝟎𝟔𝟗⁄ ≈(𝟐𝟏𝑩𝒊𝒕𝒔 − 𝟑𝟒𝟒𝟎)
𝟏𝟑𝟐⁄ ······· (17)
La ecuación (17) es la que permite calcular la Humedad Relativa y se la inserta en el código
del programa. A continuación. Líneas del programa para el sensor de Humedad Relativa,
utilizando la declaración ADCIN, mide la variación de 0 a 1023 a diez Bits de conversión,
su equivalente en voltaje es de 0[V] a 5[V].
54
;·································HUMEDAD RELATIVA·································
ADCIN 1, HUM ; Lectura del Conversor Analógico Digital
HUM=21*HUM ;
HUM=HUM-3440 ; Operaciones para calcular la Humedad Relativa
HUM=HUM/132 ;
3.2.4.3 SENSOR DE PRESIÓN.
El sensor MPX4115 tiene un rango de presión de 15k [Pa] a 115k [Pa], el promedio de los
datos de presión 66 k[Pa] del Observatorio de Laykacota, se encuentran en el rango de medida
del sensor y no requiere de un circuito acondicionador. La salida de Presión es lineal con
respecto al voltaje, como se muestra en la gráfica 3.4, la alimentación del sensor es de 5[V]
DC.
z
Fuente: http://www.metrodyne.com.tw/datasheets/
Grafico 3.4 Presión vs. Voltaje de salida del sensor MPX4115.
Aplicando la ecuación de la recta a la Gráfica 3.4 tenemos:
55
𝑉 − 1.37 =2,27 − 1,37
60 − 40∗ (𝑃 − 40)
𝑃 =(1000𝑉 + 400)
45⁄ ······ (18)
La ecuación (CAD) en la ecuación (18).
∴ 𝑷 =𝟏𝟎
𝟒𝟓∗ (
𝟓𝟎𝟎𝑩𝒊𝒕𝒔+𝟒𝟎𝟗𝟐𝟎
𝟏𝟎𝟐𝟑) ≈
𝟏𝟎
𝟒𝟓∗ (
𝟐𝟏𝑩𝒊𝒕𝒔+𝟏𝟕𝟐𝟎
𝟒𝟑) ······· (19)
La ecuación (19) es la que permite calcular la Presión Atmosférica y se inserta en el código
del programa. A continuación. Líneas del programa para el sensor de Presión Atmosférica,
utilizando la declaración ADCIN, que mide la variación de 0 a 1023 a diez Bits de conversión,
su equivalente en voltaje es de 0[v] a 5[V].
;·······························PRESIÓN ATMOSFÉRICA·································
ADCIN 2, PRES ;Lectura del Conversor Analógico Digital
PRES=21*PRES ;
PRES=PRES+1720 ;
PRES=PRES/43 ; Operaciones para calcular la Presión Atmosférica
PRES=PRES*10 ;
PRES=PRES/45 ;
3.2.5 CALCULO DEL SISTEMA AUTÓNOMO DE ALIMENTACIÓN
ELÉCTRICA.
Existen varias maneras de proporcionar energía a la EMA, en el presente proyecto se usa la
conversión de energía solar en energía eléctrica, que será almacenada en un acumulador para
el abastecimiento por la noche y en días nublados con o sin lluvia.
Para el diseño del sistema de alimentación eléctrica, se considera que el cielo está cubierto
durante 3 días y tendrá la posibilidad de abastecer de energía a la EMA durante este tiempo,
en la tabla 3.2 se muestra el consumo de corriente de los componentes electrónicos.
56
DESCRIPCIÓN CONSUMO DE CORRIENTE
uC PIC 16F877A 4 mA
MAX232 15 mA
RTC 1,5 mA
24C64 3 mA
LCD 10,5 mA
Sensores 15 mA
Regulador 6 mA
Otros Elementos 15 mA
TOTAL 70 mA
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 3.2 Consumo de corriente de los elementos electrónicos.
Antes de dimensionar los elementos del sistema de alimentación eléctrica, se considera que:
que el uC, MAX232, RTC, regulador de voltaje y el sensor de lluvia funcionan todo el tiempo
siendo la corriente que consumen igual a 32,5[mA], la memoria 24LC512, el LCD, y demás
sensores funcionan durante 2 minutos, por hora con una corriente igual a 37.5[mA].
SELECCIÓN DE LA BATERÍA.- La corriente que consume la EMA en 1 hora, se
multiplica por 24 y tendremos la cantidad de corriente consumida en un día.
𝐼 ∗ 𝑡 = 32,5 [𝑚𝐴] ∗ 60 [𝑚𝑖𝑛] + 37,5 [𝑚𝐴] ∗ 2 [𝑚𝑖𝑛] = 33,75 [𝑚𝐴ℎ]
𝐶𝐼 =(𝐼 ∗ 𝑡)
1[𝑑𝑖𝑎]⁄ = 33,75 ∗ 24 [𝑚𝐴ℎ𝑑𝑖𝑎⁄ ] = 810 [𝑚𝐴ℎ
𝑑𝑖𝑎⁄ ]······ (20)
El resultado (20) es el consumo de la EMA durante un día. La batería a plena carga tiene un
voltaje de 12[V], la energía teórica consumida que requiere la EMA para funcionar un día
será:
𝐸𝑇 = 𝐶𝐼 ∗ 𝑉 = 810 [𝑚𝐴ℎ𝑑𝑖𝑎⁄ ] ∗ 12[𝑉]
∴ 𝐸𝑇 = 9.7 [𝑊ℎ𝑑𝑖𝑎⁄ ] ······ (21)
57
La energía real consumida será la siguiente:
𝐸𝐵 =𝐸𝑇
𝑅⁄ ······ (22)
Donde R es y depende de los valores de la tabla 3.3:
𝑅 = (1 − 𝐾𝐵 − 𝐾𝐶 − 𝐾𝑉) ∗ (1 −𝐾𝐴 ∗ 𝑁
𝑃𝐷⁄ )······ (v)
KB: Coeficiente de perdidas
0,05 En sistemas que no demandan descargas internas
0,1 En sistemas con descargas profundas
KC: Coeficiente de perdidas en el convertidor
0,05 Para convertidores senoidales puros que trabajan
en régimen optimo
0,10 En otras condiciones de trabajo
KV: Coeficiente de Perdidas (Rendimiento de Red)
0,05-0,15 Agrupa otras Perdidas
KA: Coeficiente de auto descarga diario
0,002 Para baterías de baja auto descarga
0,005 Para baterías estacionarias de Pb-ácido
0,012 Para baterías de alta descarga
N: Número de días de autonomía de la instalación
Serán los días que la instalación debe funcionar bajo
una irradiación mínima o nula. 3-15 días
PD: Profundidad de descarga de la batería
Esta profundidad no debe ser mayor al 80% ó 0.8
Fuente: http://www.cleanergysolar.com/2011/09/22/tutorial-solar-fotovoltaica-%E2%80%93-calculo-del-sistema-solar.
Tabla 3.3 Valores de parámetros para calcular el coeficiente de R.
Seleccionando valores de la tabla se tiene:
𝑅 = (1 − 0,05 − 0,10 − 0,10) ∗ (1 − 0,005 ∗ 30,7⁄ )
58
𝑅 = 0,73 ····· (23)
El valor (23) en (22):
𝐸𝐵 = 9,70,73⁄ = 13,3 [𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎⁄ ] ······ (24)
Con la ecuación (vi) y el valor (24) se calcula la capacidad necesaria de la batería para su
funcionamiento durante 3 días con condiciones meteorológicas, en las cuales la extracción
de energía del panel es mínima.
𝐶𝐴𝑃𝐵𝐴𝑇𝐸𝑅Í𝐴 =(𝐸𝐵 ∗ 𝑁)
(𝑉 ∗ 𝑃𝐷)⁄ ······(vi)
∴ 𝑪𝑨𝑷𝑩𝑨𝑻𝑬𝑹Í𝑨 =(𝟏𝟑, 𝟑 ∗ 𝟑)
(𝟏𝟐 ∗ 𝟎, 𝟕)⁄ = 𝟒. 𝟕𝟓 [𝑨𝒉] ······ (25)
Con el resultado (25) se selecciona la: Batería Curtiss 12V 5Ah Ciclo Profundo y sus
características son:
- Tipo: Batería de plomo, tipo VRLA-AGM-AGM, de ciclo profundo, libre de mantención
- Tecnología: Valve Regulated Lead Acid Baterry
- Voltaje: 12 V
- Capacidad: 5 Ah
- Medidas: 101 x 70 x 90 mm (alto-largo-ancho)
- Peso: 1,3 kg.
SELECCIÓN DEL PANEL FOTOVOLTAICO.- Para el cálculo se considerara que la
energía del panel sea de 1,5 a 2 veces la energía de la batería y que las Horas Pico de Sol
promedio, “HPS” sea de un valor igual a 4[h/día] con el fin de asegurar la carga de la batería
y el suministro de energía del panel fotovoltaico a la EMA.
𝐸𝑃 = (1,5 𝑎 2) ∗ 𝐸𝐵 ······(vii)
𝐸𝑃 = 𝜂𝑃 ∗ 𝑊𝑃 ∗ 𝐻𝑃𝑆 ······ (26)
59
(26) en (vii).
𝜂𝑃 ∗ 𝑊𝑃 =(1,5 ∗ 𝐸𝐵)
𝐻𝑃𝑆⁄ =(1,5 ∗ 13,3)
4⁄ = 4,99 [𝑾] ······ (27)
El rendimiento del panel de 90% en (27).
∴ 𝑾𝑷 = 𝟒, 𝟗𝟗𝟎, 𝟗⁄ = 𝟓, 𝟓𝟒 [𝑾] ······ (28)
Con el resultado (28) se selecciona él: Panel Fotovoltaico Atersa A-5 12[V] 6[W]
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
- Nº de células poli cristalinas 36
-Corriente en punto de máxima potencia 0,35 [A]
-Tensión en punto de máxima potencia 16,5 [V] y Tensión de circuito abierto 20,05 [V]
- Corriente de cortocircuito 0,4 [A]
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
-Longitud 365 mm
-Anchura 194 mm
-Espesor 25 mm
-Peso 1,1 [kg]
SELECCIÓN DEL REGULADOR DE VOLTAJE.- El regulador Seleccionado es de la
marca ARTESA, la versión es la mino trabaja con un voltaje de 12[V] y puede suministrar
una corriente de 0 a 16[A].
Fuente: Elaboración propia, imagen generada con el Software AUTOCAD
Figura 3.19 Sistema Autónomo de Alimentación Eléctrica.
60
La salida es de 12[V] DC, antes de entrar al sistema de la EMA se utiliza un Regulador de
voltaje 7805 donde su entrada es de 12[V], la salida será de 5[V] DC y un fusible de 100[mA]
para la protección del sistema de la EMA.
3.3 DISEÑO DEL SOFTWARE DEL MICROCONTROLADOR, INTERFAZ
HUMANO MAQUINA (HMI) PARA TRATAMIENTO DE DATOS.
3.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN.
El software de programación es MicroCode Studio y gracias al compilador Pic Basic Pro
(PBP), se escribe el código para el uC PIC 16F877A, MicroCode Studio se caracteriza por
utilizar un lenguaje de programación de alto nivel que permite manejar con facilidad los
puertos del uC, gracias a la lista de palabras reservadas de PBP que se detallan en el ANEXO
K de la página 119.
MicroCode Studio proporciona un fácil entendimiento de la programación al utilizar tres
tipos de variables la de tipo BIT de valor 0 y 1 únicamente, la de tipo BYTE de 0 a 255 de (8
bits) y la variable de tipo WORD que toma valores de 0 a 65535 de (16 bits), en las cuales se
almacenan temporalmente los datos.
Algo muy importante es que al ser 65535 el valor máximo que se utiliza en el código del
programa, las operaciones matemáticas y el resultado final que se presenten no deben
sobrepasar ese valor.
3.3.2 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLADOR.
3.3.2.1 DIAGRAMA DE FLUJO PRINCIPAL.
El siguiente diagrama de flujo es la referencia Para realizar con éxito la programación para
el DATALOGGER FRANCIS, guía en la escritura del código para el uC, con la
consideración de que cada parte del diagrama puede ser extensa, representada en el código
serían pocas líneas o varias líneas de programa.
61
NO
SI
NO
DIAGRAMA DE FLUJO PRINCIPAL, FUNCIONAMIENTO PROTOTIPO EMA:
IN_SERIAL=D
DESCARGA
DE DATOS
SI
NO
SI
NO
PULASDOR=0
VISUALIZAR
DATOS
SI
INCLUIR MODOS DE COMUNICACIÓN,
DEFINIR PINES DEL LCD, PINES DEL RTC,
PINES DE LA MEMORIA EEPROM,
VARIABLES; INICIALIZACIÓN DE
PUERTOS Y DEFINICIÓN DE LOS VALORES
INICIALES
DESCARGAR DATOS
ALMACENADOS
ENVIAR DATOS
INSTANTÁNEOS EN LA PC
VISUALIZAR DATOS
INSTANTÁNEOS EN EL LCD
INICIO DE LA
ESTACIÓN
METEOROLÓGICA
METEOROLÓGICA
LECTURA DEL RTC
LECTURA DEL
PLUVIÓMETRO
GRABAR LA FECHA,
LA HORA Y LOS DATOS
¿ES LA HORA
PARA GRABAR
LOS DATOS?
LECTURA DE LOS SENSORES DE:
1. TEMPERATURA
2. HUMEDAD
3. PRESION
4. VEL. VIENTO
5. DIR. VIENTO
6. PRECIPITACION
PULSADOR=0
DESCARGA O
TOMA DE
DATOS
SI IN_SERIAL=T
ADQUISICIÓN DE DATOS
62
3.3.2.2 CODIGO DEL PROGRAMA PARA EL uC.
A continuación se muestra parte del código del programa escrito en lenguaje PICBASIC.
'*****************************************************************
'* Name : ESTACIÓN METEOROLÓGICA FRANCIS *
'* Author : DIEGO RAFAEL HUANCA ZAMBRANA *
'* Notice : Copyright (c) 2014 [select VIEW...EDITOR OPTIONS] *
'* Date : 27/05/2014 *
'* Version : 1.0 *
'*****************************************************************
; Inclusión de librerías................................................................
INCLUDE "MODEDEFS.BAS" ; Librería para la comunicación serial
; Definiendo el Oscilador............................................................
DEFINE OSC 4
; Definiendo las conexiones del LCD..........................................
DEFINE LCD_DREG PORTB ; usamos el puertoB como salida de datos
DEFINE LCD_BBIT 4 ; definimos el uso de 4 bits
DEFINE LCD_DBIT 4 ; solo usamos 4 bits altos (Rb4-RB7)
DEFINE LCD_RSREG PORTB ; RS va conectado a puertoB
DEFINE LCD_RSBIT 2 ; RS a Rb2
DEFINE LCD_EREG PORTB ; E va conectado a puertoB
DEFINE LCD_EBIT 3 ; E va a Rb3
63
; Definiendo parámetros del CONVERSOR ANALOGICO DIGITAL.........
DEFINE ADC_BITS 10
DEFINE ADC_CLOCK 3
DEFINE ADC_SAMPLEUS 50
; Definiendo entradas analógicas.....................................................................
TRISA=%11111111 ; Los pines del puerto A 0,1.,2,3 y 4 son de entrada
ADCON1=%10000010 ; los pines del pic16f877a 0,1,2,3 y 4 son configurados
; Como conversores analógicos digitales
; Definiendo entradas digitales,.......................................................................
PLUVIO VAR PORTA.4
; Definiendo entradas de frecuencia.................................................................
HUMED VAR PORTB.1
VELOC VAR PORTB.0
; Definiendo entrada por pulsadores.................................................................
ILUMI VAR PORTD.3
; Definiendo pines de la comunicación I2C.......................................................
P_SCL VAR PORTC.1 ;Reloj Calendario
P_SDA VAR PORTC.0 ;Reloj Calendario
E_SCL VAR PORTC.3 ;Memoria EEPROM
E_SDA VAR PORTC.4 ;Memoria EEPROM
;Definiendo pines para la comunicación SERIAL.............................................
64
;·······················DEFINIENDO VARIABLES····································
; Variables del Reloj de Tiempo Real (RTC)
SEGU VAR BYTE ;
MINU VAR BYTE ;
HORA VAR BYTE ;
DIAS VAR BYTE ;
DIAF VAR BYTE ;
MES VAR BYTE ;
ANIO VAR BYTE ;
; Variables Meteorológicas...................................................................................
SER_IN VAR BYTE
TEM VAR WORD ; Variable de la temperatura instantánea, para el lm335 se
; utiliza la entrada analógica del AN0
TP VAR WORD ; Variable auxiliar de la temperatura positiva
TN VAR WORD ; Variable auxiliar de la temperatura negativa
HUM VAR WORD ; Variable de la humedad instantánea, para Hih3610 se utilizara la
;D_HU VAR WORD ; Variable del Dato de la HUMEDAD a ser guardado
PRES VAR WORD ; Variable de la presión instantánea, para el mpx4515 se
LLU VAR WORD ; Variable para medir la parte decimal de la lluvia
PLU VAR WORD ; Variable para medir la parte entera de la lluvia
VELV VAR WORD ; Variable de la velocidad instantánea, para el optoacoplador se
65
; se utilizara la entrada de frecuencia
DIRV VAR WORD ; variable de la dirección instantánea, para el potenciómetro
; Rotativo se utilizara la entrada analógica del AN2
;Definiendo parámetros iniciales.........................................................................
LLU=0
PLU=0
VISU=0
;························· ········PROGRAMA PRINCIPAL······························
LCDOUT $FE,1
LCDOUT $FE,2
LCDOUT $FE, $C0
PAUSE 10
Actualizado VAR BIT ; variable para almacenar un 1 o 0
EEPROM 0,[0] ; memoria 0 con el valor inicial 0, sirve para
; indicar que nunca ha corrido este programa
READ 0,ACTUALIZADO ; carga el valor de la memoria EEPROM dirección 0
IF ACTUALIZADO = 0 THEN GRABARRTC ; si es la 1ra vez que corre ir a grabar
RTC
INICIO:
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,0,[SEGU]
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,1,[MINU]
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,2,[HORA]
66
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,4,[DIAF]
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,5,[MES]
I2CREAD P_SDA,P_SCL,%11010000,6,[ANIO]
; ************************ Subrutina grabar rtc*********************
grabarRTC:
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,0,[$30] ; setear 30 segundos
PAUSE 10 ;retardo para finalizar grabación
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,1,[$40] ; setear 40 minutos
PAUSE 10
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,2,[$15] ; setear las 15 horas
PAUSE 10
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,4,[$27] ; setear día 27 del mes
PAUSE 10
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,5,[$11] ; setear mes mayo
PAUSE 10
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,6,[$13] ; setear año 14
PAUSE 10
I2CWRITE P_SDA,P_SCL,%11010000,7,[$10] ; control %00010000
PAUSE 10
GOTO INICIO
67
3.3.3 INTERFACE HUMANO MAQUINA (HMI).
MicroCode Studio proporciona una herramienta muy útil al momento de comunicarse con el
uC, utilizando la ventana de comunicación serial Figura 3.20 podemos descargar los datos
guardados en la memoria EEPROM, para luego ser procesados en una hoja de cálculo de
Microsoft Excel.
x
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software MicroCode Stusio .
Figura 3.20 Ventana de comunicación Serial.
3.4 IMPLEMENTACIÓN DE LA SIMULACIÓN CON PROTEUS.
Utilizando como sensores, potenciómetros y pulsadores conectados a voltímetros, se logra
la simulación en PROTEUS, a continuación se muestra la visualización para cada variable
del tiempo en las figuras 3.21 a 3.26:
Visualización en LCD de la Temperatura de -15 [oC] a 50 [oC]:
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.21 Visualización de la Temperatura.
68
Visualización en LCD de la Humedad Relativa de 0% a 100%:
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.22 Visualización de la Humedad Relativa.
Visualización en LCD de la Presión de 150h[Pa] a 1500h[Pa]:
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.23 Visualización de la Presión Atmosférica.
Visualización en LCD de la Precipitación de 0[mm] a 25.5[mm]:
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.24 Visualización de la Precipitación.
Visualización en LCD de la Velocidad del viento de 0[m/s] a 33[m/s]:
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.25 Visualización de la Velocidad del viento.
Visualización en LCD de la Dirección del viento con un rango de 0o a 360o:
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.26 Visualización de la Dirección del viento.
69
En la figura 3.25 se presenta el sistema completo de la EMA con sus diferentes subsistemas,
el voltaje de alimentación es de 5[V] DC.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen del Software ISIS PROTEUS.
Figura 3.27 Visualización del sistema completo.
70
Los sensores LM335 de Temperatura, HIH3610 de Humedad Relativa, MPX4115 de Presión;
los sensores diseñados el de Precipitación, Velocidad del Viento y Dirección del viento u
otro sensor se encuentran dentro los rangos de operación la tabla 3.4.
DESCRIPCIÓN UNIDAD RANGO
Temperatura del aire ºC -35/55
Humedad relativa del aire % 0/100
Presión hPa 600/1060
Velocidad del viento m s-1 0,1/60
Dirección del viento Grados 0/360
Precipitación en 10 minutos mm 0/25
Fuente: Carrasco M., Gualberto; SENSORES QUE DEBE T ENER UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA
Tabla 3.4 Rangos de variables del tiempo.
3.5 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO EN PROTOBOARD (PLACA DE
PRUEBA) Y DESCARGA DE DATOS.
El Funcionamiento del prototipo de DATALOGGER, sigue la secuencia del diagrama de
flujo y está armado como se muestra en la Foto 3.1.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.1 Prototipo DATALOGGER.
71
El Funcionamiento del prototipo DATALOGGER es el siguiente: gran parte del tiempo se
cumple el ciclo de lectura del RTC y el Pluviómetro, el LCD y otros subsistemas se
encuentran apagados como se aprecia en la Foto 3.2.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.2 LCD y otros subsistemas apagados.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.3 LCD muestra la fecha y la hora.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.4 Proceso de almacenamiento de datos en la memoria.
Cuando se Presiona el pulsador P1 por primera vez, se visualizan en el LCD la fecha, la hora
y los datos instantáneos de los sensores como se aprecia en las Fotos 3.5 a 3.13.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.5 Nombre de la EMA.
72
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.6 Fecha y Hora.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.7 Temperatura Instantánea.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.8 Humedad Relativa.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.9 Presión Atmosférica.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.10 Velocidad del Viento.
73
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.11 Dirección del Viento.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.12 Precipitación.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.13 Para descargar datos se debe presionar P1.
Si no se presiona el pulsador P1, el LCD se apaga y el programa vuelve al ciclo principal, si
el pulsador P1 es presionado por segunda vez, el programa del uC espera que se envíen
ordenes mediante la PC que está conectada al prototipo DATALOGGER mediante la norma
de comunicación RS-232, para poder descargar los datos almacenados se envía la letra D o
para visualizar los datos en la PC se envía la letra T.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.14 El uC espera órdenes de la PC.
74
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.15 Enviando por primera vez D o T mediante la PC.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.16 Enviando por Segunda vez D o T mediante la PC.
Cuando se procede a la descarga de los datos en la PC, aparecen los datos descargados como
se muestra en las Figuras 3.28 a 3.30 de la ventana de comunicación serial de MicroCode
Studio Plus.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen de la descarga de datos.
Figura 3.28 Ventana de comunicación serial de MCS.
75
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen de la descarga de datos.
Figura 3.29 Guardando la descarga en formato .TXT.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen de la descarga de datos.
Figura 3.30 Datos guardados en una hoja .TXT.
Mientras tanto en el LCD aparecen los siguientes mensajes.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.17 Descarga de datos almacenados en la Memoria 24C64.
76
Fuente: Elaboración propia
Foto 3.18 Fin de la Descarga.
Cuando se procede a la toma de datos en la PC aparecen los datos instantáneos como se
muestra en la Figura 3.30 de la ventana de comunicación serial de MicroCode Studio Plus.
En ambos casos la hora y la fecha están en un formato decimal, pero realmente son
almacenadas en un formato Hexadecimal Propio del RTC DS1307, es por esta razón que la
fecha y la hora en base 10 son 48/5/2020_24:5:57, en base 16 equivale a 30/05/2014_18:5:39
y los valores instantáneos de los sensores se descargan y visualizan en base decimal. En la
memoria EEPROM 24C64 los datos son guardados de manera contraria a lo descrito
anteriormente.
Fuente: Elaboración propia, captura de imagen de los datos instantáneos.
Figura 3.31 Datos instantáneos visualizados en la PC.
Mientras tanto en el LCD aparecen los siguientes mensajes.
Fuente: Elaboración propia.
Foto 3.19 Envió de datos instantáneos a la PC.
77
Fuente: Elaboración propia
Foto 3.20 Fin de envió.
3.6 CRITERIOS PARA EL EMPLAZAMIENTO DE ESTACIONES
METEOROLOGICAS.
Las siguientes consideraciones se aplican a la elección del emplazamiento (lugar donde está
colocada la estación) y a los requisitos que se deben cumplir sobre la exposición de los
instrumentos3:
Los instrumentos exteriores deben instalarse en un terreno llano, aproximadamente
de 10 por 7 metros (el recinto), cubierto de hierba baja, o de una superficie
representativa de la localidad, rodeada de una cerca para impedir el acceso a personas
no autorizadas, en el recinto se reserva una parcela de 2 por 2 metros para mediciones
referidas al estado del suelo.
No debe haber laderas inclinadas en las proximidades, y el emplazamiento no debe
encontrarse en una hondonada. Si no se cumplen estas condiciones las observaciones
pueden presentar peculiaridades de significación puramente local.
El emplazamiento debe estar suficientemente alejado de árboles, edificios, muros u
otros obstáculos. La distancia entre cualquiera de esos obstáculos (incluidas las
vallas) y el pluviómetro no debe ser inferior al doble de la altura del objeto por encima
del borde del aparato y preferentemente debe de cuadriplicar la altura.
El registrador de luz solar, el pluviómetro y el anemómetro deben de encontrase en
emplazamientos con exposiciones que satisfagan sus requisitos, y en el mismo lugar
que los otros instrumentos.
________________________________________________________________________________ 3: Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos, OMM, sexta edición, 1996
78
Debe señalarse que el recinto puede ser no el mejor lugar para estimar la velocidad y
dirección del viento, tal vez convenga otro punto de observación más expuesto al
viento.
Emplazamientos muy abiertos sin ningún tipo de obstáculos cercanos, satisfactorios
para la mayoría de los instrumentos son inapropiados para los pluviómetros. En estos
lugares la captación del agua es reducida, salvo con vientos débiles, y se necesita
algún grado de protección.
3.6.1 DATALOGGER.
El DATALOGGER es la unidad central de procesamiento del sistema, este equipo en
realidad es una pequeña computadora que recibe cada una de las lecturas de los sensores
(señales de voltaje algunos con diferente nivel otros simplemente pulsos) y las almacena en
la memoria. Se debe situar entre 1,25 y 1,75 metros para la conexión y descarga de datos.
3.6.2 TEMPERATURA Y HUMEDAD.
Los sensores para medir temperatura y humedad según el OMM se deben situar entre 1.25 y
2.00 metros de altura por encima del nivel del suelo, la ubicación más usual es de 1.5 metros.
El sensor que se utiliza puede ser afectado perceptiblemente por la luz del sol, la radiación y
fenómenos tales como precipitación, rocío, helada y viento, por esta razón, se debe de
proteger dentro de un protector de radiación.
El mejor lugar para realizar las mediciones es por encima del nivel del suelo sin árboles o
edificios cercanos. El terreno sobre el cual se están realizando las medidas debe estar cubierto
con hierba corta.
3.6.3 PRESION.
El sensor para los datos automáticos precisa de una atmosfera limpia y seca que no contenga
sustancias corrosivas y lejos de fuentes electromagnéticas se recomienda instalarlo dentro de
la misma caja a prueba de humedad donde se instala el datalogger comúnmente entre 1.25 y
2.00 metros de altura por encima del nivel del suelo.
El mejor lugar para realizar las mediciones es por encima del nivel del suelo sin árboles o
edificios cercanos.
79
3.6.4 VELOCIDAD Y DIRECCION DEL VIENTO.
La altura estándar de los anemómetros utilizados sobre un terreno llano y abierto es de 10
metros.
Se denomina terreno abierto a una zona donde la distancia entre el anemómetro y cualquier
obstáculo es al menos 10 veces superior a la altura del obstáculo, es muy importante tratar de
encontrar un emplazamiento óptimo para que el viento sea representativo para el lugar.
Cuando no se puede encontrar una exposición estándar el anemómetro puede instalarse a una
altura tal que sus mediciones se vean afectadas lo menos posibles por los obstáculos locales
y describan lo que pudiese ser el viento sino hubiese obstáculos a 10 m. pero en general no
se ha determinado una regla que funcione para estos casos.
3.6.5 PRECIPITACION.
Se debe ubicar el sensor en un lugar plano libre de obstáculos. La boca del sensor se debe de
mantener a 1.5 metros sobre el suelo.
La distancia del aparato de medición a los obstáculos próximos (árboles, paredes, edificios,
etc.) debe ser por lo menos dos veces y preferiblemente cuatro veces la altura del obstáculo
sobre el plano del borde superior del pluviómetro. Ejemplo: para un obstáculo de 5 metros el
cálculo sería 5.0 - 1.5= 3.5 m. La distancia del sitio de la medida al obstáculo debe ser por lo
menos (2 x 3.5 =) 7.0 m. y preferiblemente de (4 x 3.5 =) 14.0 m. El terreno sobre el cual se
están realizando las medidas debe estar cubierto con hierba corta.
3.7 CONTROL DE CALIDAD DEL DATALOGGER FRANCIS.
Al momento de ensamblar el prototipo se deben tener en cuenta los siguientes puntos.
Al momento de la compra del/los, uC, CI, demás elementos considerar el
empaquetado tamaño y calidad de los mismos.
Tomar en cuenta los valores de los elementos y su respectiva posición.
Al momento de la soldadura con estaño en la placa de circuito impreso, manipular las
cantidades óptimas de la pasta para soldar y del estaño.
Tener mucho cuidado al manipular los C.I. y el uC, estos se pueden dañar por el efecto
de la electrostática. Emplear guantes o pinzas para la manipulación.
80
CAPITULO IV
4 COSTOS
4.1 COSTO DE ELEMENTOS MATERIALES E INSUMOS.
En la tabla 4.1 se muestra el costo de los Elementos, Materiales e Insumos necesarios para la
construcción del DATALOGGER FRANCIS. También el costo de sensores y el sistema de
alimentación eléctrica para la EMA.
ELEMENTOS MATERIALES E INSUMOS
DESCRIPCIÓN COSTO
UNITARIO Bs. PZA.
SUBTOTAL
Bs.
uC PIC16F877A 60 1 60
CRISTAL 4Mhz 5 1 5
RESISTENCIAS (Varios
Valores) 0,25 15 3,75
PANTALLA LCD 80 1 80
CAPACITORES (Varios
Valores) 1 15 15
C.I.CMAX232 15 1 15
C.I. DS1307 30 1 30
C.I. 24C64 20 1 20
CRISTAL DE 32.768kHz 8 1 8
PLACA DE Cu 20 1 20
ZOCALO 15 4 60
PILA CR2032 3[V] 15 1 15
REGULADOR 7805 10 1 10
PULSADOR 5 4 20
DIODO 1N4104 1 5 5
DIODO LED 2 5 10
PASTA PARA SOLDAR 55 1 55
ESTAÑO 250g 70 1 70
PAPEL FOTOGRAFICO 3 5 15
LM335 50 1 50
HIH3610 200 1 200
MPX4115 300 1 300
81
ANEMOMETRO-VELETA 3000 1 3000
PLUVIOMETRO 1000 1 1000
PANEL SOLAR 6W 12V 700 1 700
ACUMULADOR 5W 12V 500 1 500
REGULADOR DE VOLTAJE 350 1 350
VARIOS CABLES DE COBRE
PARA SENSORES 20 20 400
GABINETE DE PROTECCION
PARA (PDL) 600 1 600
TOTAL ELEMENTOS, MATERIALES E INSUMOS
Bs. 7616,75
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 4.1 Costo de elementos materiales e insumos.
4.2 COSTO DE MANO DE OBRA.
Para la fabricación de la EMA el costo es el siguiente.
MANO DE OBRA
DESCRIPCIÓN UNIDAD
COSTO
UNITARIO
Bs.
CANTIDA
D
SUBTOTAL
Bs.
T.U.S. ELECTROMECANICO DIA. 250 5 1250
AYUDANTE DIA. 90 5 450
TOTAL MANO DE OBRA Bs. 1700
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 4.2 Costo de mano de obra.
4.3 COSTO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.
Al momento de la descarga de los datos meteorológicos se realizará el mantenimiento y el
costo más elevado será el viaje si el equipo estuviese instalado en lugares muy alejados de la
civilización.
Durante el primer año de funcionamiento, solo se realiza la limpieza superficial de los
sensores, el panel solar y demás elementos, la EMA no necesitara mantenimiento alguno,
debido a que los elementos implementados son nuevos y la garantía del fabricante es de 1
82
año mínimamente. Pasado el año se preverá una cantidad de dinero para el cambio de algún
elemento dañado o hurtado.
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
DESCRIPCIÓN
COSTO
UNITARIO
Bs.
CANTIDAD SUBTOTAL
Bs.
PASAJES PARA DESCARGA
DE DATOS CADA MES 20 12 240
TOTAL MENTENIMIENTO Bs. 240
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 4.3 Operación y mantenimiento.
4.4 COSTO DE EQUIPO.
A continuación se detalla el costo del equipo necesario para la fabricación del Prototipo del
DATALOGGER FRANCIS.
EQUIPO
DESCRIPCIÓN
COSTO
UNITARIO
Bs.
PZA. SUBTOTAL
Bs.
Grabador de PIC "PICKIT2" 300 1 300
IMPRESORA LASER 1500 1 1500
PLANCHA DE ROPA 200 1 200
CAUTIN DE 30 [W] 70 1 70
TOTAL EQUIPO Bs. 2070
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 4.4 Costo de Equipo.
4.5 COSTO TOTAL.
Se tiene que considerar que al principio la inversión será elevada por la compra del equipo
que se puede utilizar en la producción de más EMAs.
83
TOTAL
DESCRIPCIÓN SUBTOTAL
Bs.
ELEMENTOS, MATERIALES E INSUMOS 7616,75
MANO DE OBRA 1700
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 240
EQUIPO 2070
TOTAL Bs. 11626,75
Fuente: Elaboración propia, tabla generada en Microsoft Excel.
Tabla 4.5 Costo Total.
El costo total de once mil seis cientos veinte y seis 75/100 Bolivianos, se refiere a el equipo
Meteorológico como tal, este costo no incluye:
Factura.
Torre o tubo donde van instalados los sensores y el DATALOGGER FRANCIS
(Depende del tipo de ubicación topográfica).
Cerca de seguridad que protegerá al equipo (Depende del tipo de ubicación
topográfica).
Instalación.
Capacitación en la descarga de Datos y Mantenimiento de la EMA
Es viable la implementación de la EMA, considerando un bajo costo de adquisición
comparado con proveedores de EMAs como se aprecia en el Anexo L4 de la página 122.
________________________________________________________________________________ 4: Proformas Proporcionadas por el SENAMHI.
84
CAPITULO V
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En el desarrollo del presente proyecto se llega a las siguientes conclusiones y
recomendaciones que son detalladas a continuación.
5.1 CONCLUSIONES.
La simulación en PROTEUS, pruebas del circuito armado en el PROTOBOARD,
muestran el buen funcionamiento del DATALOGGER, que se logra construir con un
presupuesto relativamente bajo, es capaz de realizar lecturas de sensores Analógicos
y/o digitales, puede mostrar los datos instantáneos en la pantalla LCD y se descargan
los datos almacenados en la memoria EEPROM 24C64.
El Pluviómetro YOUNG o el Pluviómetro Modelo 260-7852 Colector de Lluvia
conectado al DATALOGGER FRANCIS funciona correctamente y los datos son
guardados cada 2 horas con la posibilidad de acortar este tiempo hasta unos cinco
minutos para generar las curvas IDF (Intensidad, Duración y Frecuencia) de la
Precipitación, teniendo la desventaja de que el tiempo de almacenamiento se reducirá.
El sistema operativo que fue utilizado y funciona correctamente es el WINDOWS
XP, SEVEN. Y la comunicación con el DATALOGGER FRANCIS se logra gracias
a un Cable Conversor Serial (RS-232) a USB.
El DATALOGGER FRANCIS debe ser instalado en lugares representativos que
cumplan las normas de la OMM (Organización Meteorológica Mundial),
mínimamente con un Pluviómetro y de esta manera se tendrá una EMA de 4to Orden
(Solo mide y registra la Precipitación).
5.2 RECOMENDACIONES.
Implementar el DATALOGGER FRANCIS con el Pluviómetro en lugares
representativos de las ciudades de El Alto, La Paz y Viacha, en las Sub alcaldías, de
esta manera generar un histórico de datos propios de dichas ciudades y al mismo
tiempo tener segura la EMA de 4to Orden.
85
Proporcionar una capacitación sobre el mantenimiento y descarga de datos a los
operadores de la EMA, antes, durante y después de la instalación de la EMA de 4to
Orden.
Realizar el mantenimiento de la EMA con la limpieza superficial del pluviómetro,
panel solar y otros sensores, la caja de protección del DATALOGGER FRANCIS
tiene que cumplir con los Grados de Protección IP, (debe proteger de la radiación,
polvo y de la lluvia al DTLG F). El mantenimiento preventivo se puede realizar
durante la descarga de los Datos almacenados, que debe realizarse con frecuencia,
mínimamente una vez al mes, por una persona capacitada en el manejo de la EMA y
descarga de Datos, de esta manera se garantiza la generación del histórico de Datos.
El DATALOGGER FRANCIS tiene la posibilidad de ser utilizado en Estaciones
Hidrológicas Autónomas, (EHA), conectando un sensor de nivel de agua y un
pluviómetro se tiene una EHA de 4to orden, mide y registra, el nivel del agua de un
Rio y la precipitación.
Implementar una estación dedicada a la medida de las tormentas eléctricas.
86
BIBLIOGRAFÍA.
1. SENAMHI (Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología) “MANUAL DE
OBSERVADORES DE ESTACIONES SINOPTICAS”
2. VALDIVIA PONCE, Jorge; “METEOROLOGÍA GENERAL”; Perú, 1977.
3. JARAMILLO ROBLEDO A. GÓMEZ GÓMEZ L. “OBSERVACIONES
METEOROLÓGICAS”; Colombia, 1975.
4. REYES, Carlos A.; “MICROCONTROLADORES PIC PROGRAMACIÓN EN
BASIC”; RISPERGRAF, Ecuador, 2008.
5. CORRALES V., Santiago; “ELECTRÓNICA PRÁCTICA CON
MICROCONTROLADORES PIC”; Ecuador, 2006.
6. BODINGTON ESTEVA; Christian “BASIC PARA MICROCONTROLADORES
PIC”
BIBLIOGRAFÍA DE INTERNET
1. http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/docencia/_asignaturas/
2. http://es.wikipedia.org/wiki/Rosa_de_los_vientos
3. http://www.agroelectronica.com/definicion_terminos.html
4. http://electronica.webcindario.com/
5. http://www.solarmania.es/
6. http://www.intikallpa.org/calculo-sencillo-de-paneles-solares/
7. http://www.norwatt.es/es/notas-tecnicas/64-calculo-de-baterias
8. http://www.jameco.com/
9. http://www.microchip.com/
10. http://es.wikipedia.org/wiki/PIC
11. http://todopic.com.ar
87
ANEXOS
88
ANEXO A.- CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.
89
ANEXO A.- CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.
90
ANEXO A.- CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.
91
ANEXO A.- CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS.
92
ANEXO B.- PARTE DE LA HOJA TÉCNICA DEL PIC16F877A I/A (DATASHEET).
93
ANEXO B.- PARTE DE LA HOJA TÉCNICA DEL PIC16F877A I/A (DATASHEET).
94
ANEXO B.- PARTE DE LA HOJA TÉCNICA DEL PIC16F877A I/A (DATASHEET).
95
ANEXO C.- SENSORES DE TEMPERATURA.
96
ANEXO C.- SENSORES DE TEMPERATURA.
97
ANEXO C.- SENSORES DE TEMPERATURA.
98
ANEXO C.- SENSORES DE TEMPERATURA.
99
ANEXO D.- SENSORES DE HUMEDAD.
100
ANEXO D.- SENSORES DE HUMEDAD.
101
ANEXO D.- SENSORES DE HUMEDAD.
102
ANEXO D.- SENSORES DE HUMEDAD.
103
ANEXO D.- SENSORES DE HUMEDAD.
104
ANEXO E.- SENSORES DE PRESIÓN.
105
ANEXO E.- SENSORES DE PRESIÓN.
106
ANEXO E.- SENSORES DE PRESIÓN.
107
ANEXO E.- SENSORES DE PRESIÓN.
108
ANEXO E.- SENSORES DE PRESIÓN.
109
ANEXO F.- SENSOR DE PRECIPITACIÓN.
110
ANEXO G.- SENSOR DE VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO.
Anemómetro (salida de pulsos) + Veleta potenciométrica (0-360º) Davis moddelo
7911 con cable de 12 metros y jack RJ-11.
Incluye brazo y soporte para mástil, pared o poste.
Especificaciones del sensor
Velocidad del viento
Rango: 0 a 80 m/s
Resolución: 0,1 m/s
Precisión: ±5%
Dirección del viento
Rango: 0º a 360º
Resolución: 1º
Precisión: ±7º
Especificaciones eléctricas
Velocidad del viento
Señal de salida: interruptor reed
Dirección del viento
Señal de salida: potenciómetro
Especificaciones mecánicas
Material: plástico ABS resistente a los rayos UV
Dimensiones: 470 x 191 x 121 mm
Peso: 1,3 Kg
111
ANEXO H.- MAX-232.
112
ANEXO H.- MAX-232.
113
ANEXO I.- 24C64 Y DS1307
114
ANEXO I.- 24C64 Y DS1307
115
ANEXO I.- 24C64 Y DS1307
116
ANEXO I.- 24C64 Y DS1307
117
ANEXO J.- DATOS METEOROLOGICOS
118
ANEXO J.- DATOS METEOROLOGICOS
119
ANEXO K.- PALABRAS RESERVADAS DEL COMPILADOR PICBASIC PRO “PBP”.
DECLARACIÓN APLICACIÓN
@ Inserta una línea de código ensamblador
ADCIN Lee el conversor analógico
ASM...ENDASM Insertar una sección de código ensamblador
BRANCH GOTO Computado ( equivale a ON..GOTO )
BRANCHL BRANCH Fuera de página (BRANCH Largo )
BUTTON
Anti-rebote y auto-repetición de entrada en el pin
especificado
CALL Llamada a subrutina de ensamblador
CLEAR Hace cero todas las variables
CLEARWDT Hace cero el contador del Watchdog Timer
COUNT Cuenta el número de pulsos en un pin
DATA Define el contenido inicial en un chip EEPROM
DEBUG Señal asincrónica de salida en un pin fijo y baud
DEBUGIN Señal asincrónica de entrada en un pin fijo y baud
DISABLE Deshabilita el procesamiento de ON INTERRUPT.
DISABLE DEBUG Deshabilita el procesamiento de ON DEBUG
DISABLE INTERRUPT Deshabilita el procesamiento de ON INTERRUPT
DTMFOUT Produce tonos telefónicos en un pin
EEPROM Define el contenido inicial en un chip EEPROM
ENABLE Habilita el procesamiento de ON DEBUG.
ENABLE DEBUG Habilita el procesamiento de ON DEBUG
ENABLE INTERRUPT Habilita el procesamiento de ON INTERRUPT
END Detiene la ejecución e ingresa en modo de baja potencia
FOR…NEXT Ejecuta declaraciones en forma repetitiva
FREQOUT Produce hasta 2 frecuencias en un pin
GOSUB Llama a una subrutina BASIC en la línea especificada
GOTO Continua la ejecución en la línea especificada
HIGH Saca un 1 lógico ( 5 V. ) por un pin
HPWM Salida de hardware con ancho de pulsos modulados
HSERIN Entrada serial asincrónica ( hardware )
HSEROUT Salida serial asincrónica ( hardware )
I2CREAD Lee bytes de dispositivos I2C
I2CWRITE Graba bytes en dispositivos I2C
IF..THEN..ELSE..ENDIF Ejecuta declaraciones en forma condicional
INPUT Convierte un pin en entrada
120
LCDIN Lee caracteres desde una RAM de un LCD
LCDOUT Muestra caracteres en un LCD
LET Asigna el resultado de una expresión a una variable
LOOKDOWN Busca un valor en una tabla de constantes
LOOKDOWN2 Busca un valor en una tabla de constantes o variables
LOOKUP Obtiene un valor constante de una tabla
LOOKUP2 Obtiene un valor constante o variable de una tabla
LOW Hace 0 lógico ( 0 V. ) un pin específico
NAP Apaga el procesador por un corto período de tiempo
ON DEBUG Ejecuta un Debug en BASIC
ON INTERRUPT Ejecuta una subrutina BASIC en un interrupt
OUTPUT Convierte un pin en salida
OWIN Entrada de dispositivos one-wire
OWOUT Salida a dispositivos one-wire
PAUSE Demora con resolución de 1 milisegundo (mS.)
PAUSEUS Demora con resolución de 1 microsegundo (uS.)
PEEK Lee un byte del registro
POKE Graba un byte en el registro
POT Lee el potenciómetro en el pin especificado
PULSIN Mide el ancho de pulso en un pin
PULSOUT Genera pulso hacia un pin
PWM Salida modulada en ancho de pulso por un pin especificado
RANDOM Genera número pseudo-aleatorio
RCTIME Mide el ancho de pulso en un pin
READ Lee byte de un chip EEPROM
READCODE Lee palabra desde un código de memoria
RESUME Continua la ejecución después de una interrupción
RETURN Continua en la declaración que sigue al último GOSUB
REVERSE Convierte un pin de salida en entrada o viceversa.
SELECT CASE Compara una variable con diferentes valores
SERIN Entrada serial asincrónica (tipo BASIC Stamp 1)
SERIN2 Entrada serial asincrónica (tipo BASIC Stamp 2)
SEROUT Salida serial asincrónica (tipo BS1)
SEROUT2 Salida serial asincrónica (tipo BS2)
SHIFTIN Entrada serial sincrónica
121
SHIFTOUT Salida serial sincrónica
SLEEP Apaga el procesador por un período de tiempo
SOUND Genera un tono o ruido blanco en un pin
STOP Detiene la ejecución del programa
SWAP intercambia los valores de dos variables
TOGGLE Hace salida a un pin y cambia su estado
WHILE…WEND Ejecuta declaraciones mientras la condición sea cierta
WRITE Graba bytes en un chip EEPROM
WRITECODE Escribe palabra en código de memoria
XIN Entrada X - 10
XOUT Salida X - 10
122
ANEXO L.- PROFORMAS DE EQUIPOS METEOROLOGICOS.
123
ANEXO L.- PROFORMAS DE EQUIPOS METEOROLOGICOS.