Proyecto: Estación Meteorológica

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¿Necesitas salir de casa y no sabes si lloverá o habrá sol? ¿Tienes temor de salir sin abrigo y pasar una noche con mucho frío? Aprende a conocer el clima, a dominar el estado del tiempo, sin necesidad de esperar las noticias. Con la aplicación que comenzamos a desarrollar hoy, y sin llegar a pretender una estación meteorológica profesional, podremos estudiar diversas variables que pueden resultar muy útiles: temperatura, humedad, dirección y velocidad del viento, todo lo que necesitas saber antes de salir de casa. ¿Tienes una red RS485 montada? Aquí tienes un terminal que nada tiene que envidiarle al servicio meteorológico local.

El desarrollo que comenzaremos a mostrarte hoy está formado por 4 partes bien definidas que cumplen funciones muy importantes. Construida con materiales muy fáciles de conseguir, esta mini-estación meteorológica utiliza caños plásticos de desagües pluviales, chapas de zinc, varillas roscadas, caños de aluminio (utilizados para pequeños cortinados), algo de madera y, por supuesto, algunos componentes electrónicos específicos, muy populares por cierto. Demás está decir que en esta construcción, como en todas las que acostumbramos a desarrollar en NeoTeo, se requiere de prolijidad, esmero y muchas ganas de lograr un resultado exitoso. Los instrumentos que formarán esta construcción son los siguientes:

• Un anemómetro, encargado de medir la velocidad del viento.

• Una veleta, que nos informará sobre la dirección del viento, en caso de que exista.

• Un termómetro, capaz de lograr mediciones de temperatura entre -40 y +125° C (-40 y +257° F)

• Un higrómetro, que nos proporcionará información sobre la humedad ambiente (0–100% RH).

Sin duda alguna, son datos muy importantes para tener en cuenta antes de salir de casa. Los valores de humedad y temperatura, en conjunto con los datos del viento, pueden ayudarnos a estudiar de qué manera se comporta el clima y los fenómenos que pueden provocar las diversas variaciones de estas magnitudes que podrán ser medidas y estudiadas con este útil desarrollo.

 

El sensor de temperatura y el higrómetro vienen encapsulados en un mismo chip que pertenece a la familia SHT1x de la firma Sensirion. Estos sensores se presentan en una pequeña placa donde se encuentran integrados, construidos y calibrados para proporcionar una salida digital totalmente libre de ajustes y posibilidades de errores de calibración. Este dispositivo incluye un elemento sensor de polímero capacitivo para la medición de humedad ambiente y un sensor de tecnología “bandgap” para la medición de temperatura. Ambos elementos de medición están conectados a un convertidor analógico digital de 14 bits y a un circuito de interface serie contenidos dentro del mismo chip.

 

Con esto, se obtienen mediciones rápidas, de gran calidad e inmunes a las perturbaciones externas. Cada sensor SHT11 es calibrado de forma individual durante su fabricación, utilizando un higrómetro de alta precisión como referencia para obtener una serie de coeficientes de calibración que son grabados en una memoria OTP y utilizados durante la medición con el fin de calibrar la señal de salida del módulo. El circuito posee una interfaz de sólo dos cables, muy adecuada para su utilización en sistemas basados en microcontroladores, como será nuestro caso. Su tamaño muy reducido y su bajo consumo de energía lo convierten en una excelente elección para sus aplicaciones (80uW). Si no lo consigues en las tiendas de materiales de tu región, recuerda que Sensirion hace envíos de muestras gratis de este sensor a todo el mundo. Sólo debes ingresar a su Web (enlace ubicado al final del artículo) y solicitar una muestra para ensayos particulares.

Al final de la construcción del sistema, las variables de temperatura y humedad podrán ser visualizadas en gráficos dentro de una aplicación que funcionará en el ordenador y que nos permitirá ver su evolución y variación durante intervalos de tiempo predeterminados. Por tratarse de una obligatoria red RS485, las conexiones terminarán en la placa convertidora RS485–RS232 que ya hemos visto el año pasado y que puedes encontrar en este enlace. Por lógica, el sistema podrá conectarse únicamente a ordenadores que posean un puerto serie. El próximo paso será implementar una comunicación inalámbrica desde la estación meteorológica hasta un dispositivo capaz de recibir los datos e ingresarlos al ordenador mediante una conexión USB. Esto permitirá la posibilidad de utilizar cualquier ordenador móvil y ampliará los horizontes de aplicación de la estación a trabajos en unidades portátiles y fáciles de trasladar.

El microcontrolador empleado en el desarrollo será el PIC16F873A que nos permitirá conectar todas las partes necesarias que formarán la estación, esto es, un driver SN75176 para la conexión al bus RS485, un puerto entero dedicado a la medición de la dirección que posea el viento, y una entrada para un amplificador operacional LM358 que se encargará de procesar la información necesaria para obtener la medición de la velocidad del viento. Para este fin, al igual que para determinar la dirección del viento con la veleta, utilizaremos un par de motores Drum que ya no se utilicen de las antiguas máquinas de vídeo VHS. No necesitamos motores que funcionen o sistemas que estén operativos en su totalidad. Nuestra única meta será aprovechar los sistemas mecánicos que estos dispositivos poseen.

El eje del motor viene soportado por dos rodamientos de alta calidad y de gran suavidad en su deslizamiento. Esto será muy útil e importante al momento de la construcción mecánica del anemómetro. Cualquier otro sistema que se nos ocurra utilizar, habría que salir a buscarlo, comprarlo, mandarlo a fabricar a medida, inventarlo o soñar con encontrarlo en casas especializadas en el tema y pagar por ellos precios escalofriantes. Sin buscar demasiado, los elementos se encuentran allí en el desván, en el altillo o en el estante de los cacharros que ya no utilizamos y que aún no entendemos por qué no los hemos arrojado a los residuos. Y si no encuentras ninguno disponible en tu hogar, muchos servicios técnicos estarán agradecidos de que les quites algo de rezagos que sólo sirven para ocupar espacio inútil  y juntar tierra. Si aún no has pillado cuál es el motor del que hablamos, observa este video y descubre qué es lo que necesitas:

Una vez que tengas en tu poder un par de estas maravillas mecánicas, comenzarás la construcción física de la veleta o del anemómetro, según tu preferencia o disponibilidad de materiales. Para el caso del anemómetro, debes identificar el sensor de efecto Hall que señalamos en el video que te permitirá obtener los impulsos para lograr la medición de la velocidad del viento. Si en cambio deseas comenzar con la veleta, es decir, con el indicador de dirección del viento, puedes desarmar la parte inferior del motor, retirar la placa que contiene las bobinas motrices y el resto de los circuitos que hacen funcionar al motor. Como dijimos antes, aquí no necesitarás el motor en funcionamiento sino aprovechar sus magníficas cualidades mecánicas.

 

 

Para aquellos que no los conozcan, los Reed Switches son pequeñas ampollas de vidrio que poseen delgadas láminas de metal capaces de deformarse al ser sometidas a un campo magnético. Por lo general, poseen dos terminales a los extremos y su contacto interior es normal abierto. ¡Cuidado! Los Reed Switches son muy frágiles y si intentas doblar sus terminales cerca de la ampolla, terminarás rompiéndolos. Al acercarles un imán, las láminas se deforman y el contacto eléctrico se cierra. Aplicando un poco de lógica, hemos dispuesto 8 elementos de este tipo que nos indicarán los cuatro puntos cardinales (Norte, Sur, Este y Oeste), más otros cuatro puntos intermedios (Nor-Este, Nor-Oeste, Sur-Este y Sur-Oeste). Logrando el montaje apropiado de una pieza de imán, acoplada al eje móvil para que active los Reed Switches al pasar en sus proximidades, tendremos la información de cuál de los ocho interruptores se cierra y así conocer la dirección del viento. Aquí puedes ver una imagen explicativa con los elementos que intervienen en el montaje interior.

En esta parte del desarrollo, no tiene mucho sentido brindarte las medidas de las placas junto a sus circuitos impresos ya que todo dependerá del tamaño de los Reed Switches que consigas o puedas comprar. Lo importante, como siempre, será lograr la construcción robusta y firme de la placa y su anclaje a la tapa plástica que soportará el sistema. De acuerdo al tamaño de los bimetálicos, resultarán los tamaños del resto de la construcción.

El sistema armado y completo debe quedar como muestra la imagen superior. La distancia aconsejada de separación entre el imán y los Reed Switches no debe ser superior a unos 3 o 4 milímetros. Debes controlar muy bien esta situación mecánica ya que, de lo contrario, los contactos no cerrarán y no llegará la información adecuada al microcontrolador. En la fotografía superior también puedes ver un par de láminas, agarradas a las tuercas de fijación, que servirán para atar los cables que salgan de la placa y así evitar que se enreden con la pieza móvil que soporta el imán.

La parte superior del conjunto tendrá una tapa fabricada con chapa galvanizada (o zincada) que le servirá de protección al conjunto Motor-Tambor para protegerlo de la lluvia. Al sistema que te mostramos en la fotografía le falta aún un faldón protector mayor que se aprecia en el video de presentación. Una liviana varilla de aluminio servirá de punta de flecha para dar cuerpo y soportar al “timón de cola” que también estará construido de material galvanizado. Al girar de manera suave la veleta en un ambiente silencioso, escucharemos los contactos de los Reed Switches que se activan uno a uno a medida que la flecha apunta en todas la direcciones dentro de un giro de 360°. El ancho de la pieza de imán debe ser cortado de modo que no deje espacios vacíos con Reed Switches sin activar. Esto debe ser tenido muy en cuenta porque puede presentarse la situación incierta de que no tengamos ninguna información en el puerto en el momento de la medición, lo que resultaría en un dato erróneo y no deseado.

Tal como mencionamos en el video explicativo del motor a utilizar, para el funcionamiento del anemómetro será necesario que tengamos acceso al sensor de efecto Hall que “todos” los motores de este estilo traen incorporados en su placa. El nivel del pulso que nos brindará el sensor no será suficiente para ser leído por el microcontrolador, por lo tanto, tendremos que diseñar una etapa formadora de un impulso que sea apto para ser interpretado y utilizado en la cuenta que finalizará en la indicación de la velocidad del viento. A este trabajo lo realizaremos con un sencillo LM358, como muestra el circuito de la imagen inferior. Para la parte mecánica, utilizaremos varillas roscadas para colocar conos hechos en chapa galvanizada a 90° entre sí. Aquellos que quieran utilizar sólo 3 elementos capaces de capturar el viento y hacer rotar el eje del motor, deberán hacer el montaje cada 120°.

 

En la imagen inferior se aprecia claramente el mismo tipo de tapa plástica que la utilizada en la construcción de la veleta, con un motor al que se le han practicado 4 perforaciones en el tambor móvil (no en el cuerpo del estator) y al que se le han colocado varillas roscadas forradas en plástico. Los “conos” encargados de capturar el viento y hacer girar el sistema se han terminado con burletes de goma en sus bordes y están sujetos con tuercas a las varillas roscadas. Seguimos con la misma recomendación: la prolijidad y el esmero en la construcción mecánica permitirán un resultado altamente satisfactorio. Usa tu imaginación, obtén el máximo rendimiento de los materiales que tengas a tu alcance. El logro vale la pena.

 

En la próxima entrega veremos el circuito utilizado en la unidad central y el desarrollo del programa para el ordenador donde podremos ver los datos obtenidos por la estación. Terminaremos de profundizar sobre los detalles constructivos, la finalización de la construcción mecánica de la estación y veremos algunos videos con pruebas realizadas.

Sensor de Humedad => Sensirion:  SHT11

PARTE II

En esta segunda entrega, veremos el circuito que nos permitirá poner en marcha nuestra estación meteorológica. Estará basado en un PIC16F873A y se conectará a una unidad central de control (un ordenador) donde podremos seguir con atención las variaciones del clima, como así también aprender y comprender algunas facetas de su comportamiento. La temperatura y la humedad se obtienen mediante un sensor integrado y la velocidad y dirección del viento con elementos en desuso de viejos reproductores de video VHS. Ya no tienes excusas. Con muy poco dinero puedes convertirte en un estudioso de la meteorología. Avancemos, parte II, ¡acción!

Por supuesto, un medidor de temperatura y humedad puede ser útil hasta en un taller de pintura de vehículos o en un quirófano. Nosotros te presentamos el proyecto condensado en una estación meteorológica, pero tu capacidad, ingenio y creatividad pueden aprovechar las partes en forma separada hasta dentro de un túnel de viento donde se analice la aerodinamia de un coche de carreras. Las mediciones de temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento pueden tener aplicaciones tan insólitas y dispares como en un criadero de pollitos o en un invernadero de flores tropicales en países nórdicos. Este proyecto (el conjunto completo o separado en partes) puede serte útil para millones de usos y aplicaciones. Tú eliges.

 

El circuito
Tal como adelantamos en el sumario y en el artículo anterior, utilizaremos etapas bien definidas para cada una de las mediciones (adquisición de datos), reuniremos toda la información mediante el uso de un PIC16F873A (o similar) y visualizaremos los datos obtenidos en un pequeño software que nos mostrará, además de las magnitudes observadas por la estación, la fecha y la hora. Un programa sencillo con una interfaz simple y clara. Como siempre, te entregaremos el código fuente para que recuerdes las técnicas de trabajo utilizadas con el puerto serie (COM1) y para que lo adaptes a tus necesidades, salpicándolo con tu toque de originalidad.

La comunicación desde la estación meteorológica hasta el ordenador se realizará mediante una red RS485, lo que nos permitirá un montaje a buena distancia del ordenador (hasta 1200 metros). Por supuesto, te recomendamos dar un repaso al artículo donde te mostramos cómo construir una interfaz RS232/RS485 para el ordenador. Un equipo que estará emplazado en la intemperie, por lógica, no dispondrá de display ni se conectará al ordenador mediante un cable USB. Aquí hace falta una conexión posible a largas distancias que permita el agregado voluntario de otros sistemas como pueden ser dimmers de luz o relés para usos múltiples. Una conectividad RS485 es la elección más acertada.

 

En la imagen del circuito encontramos como componente central al microcontrolador que funcionará a 20Mhz y que utilizará todo el puerto B para tomar los datos que provienen de los Reed Switches encargados de detectar la dirección que trae el viento. El puerto A no se utilizará y el puerto C servirá para el resto de las conexiones: la llegada de los pulsos provenientes del sensor Hall (velocidad del viento), la recepción de datos desde el SHT11 y la conexión al SN75176 para la red RS485. El circuito es muy sencillo y utiliza los modelos clásicos que hemos visto en la mayoría de las aplicaciones con microcontroladores. Para energizar los circuitos utilizaremos una fuente que suministra 5Volts regulados mediante VR1, que puede tomar alimentación desde un transformador o desde una batería recargable mediante energía solar. No te olvides que estamos construyendo un sistema que estará instalado en un lugar de poco acceso; llevar energía de red a distancias muy extensas puede resultar peligroso.

D1 servirá de protección contra posibles inversiones accidentales de polaridad durante las conexiones y VR1 puede montarse en el PCB sin necesidad de un disipador térmico gracias a que el consumo total de corriente del circuito no supera los 100mA., es decir, el 10% de la capacidad de corriente máxima de trabajo de VR1 (7805). Por el lado del IC SN75176, utilizaremos los métodos ya empleados en artículos anteriores donde colocamos un “jumper” (o puente) para habilitar el sistema como terminación de red aplicando una resistencia de 120 Ohms. Puede que a mayor distancia exista otro dispositivo de la red y que nuestra estación meteorológica no sea el último eslabón. Por esto, siempre debes colocar la opción. Nunca se saben las ampliaciones que el montaje nos depara en el futuro.

 

Pasando a la entrada de los impulsos desde el sensor Hall, encontramos un operacional LM358 en configuración amplificador inversor con una ganancia = 100 (R5/R6) que, por estar alimentado con 5Volts, no necesita de circuitos adicionales en la salida para proteger la entrada del PIC. Este circuito nos entregará una serie de impulsos que serán contados durante 15 segundos (dentro del software del PIC) y luego procesados para obtener la velocidad aproximada del viento en Km/h. Si no logras interpretar con claridad las conexiones del sensor Hall que viene incorporado en el conjunto del motor, puedes aprovechar sólo la parte mecánica y acoplar de forma física un sensor tradicional.

Concepto: Un sensor (switch) Hall es un circuito integrado que requiere una tensión de alimentación y que, al ser expuesto a un campo magnético, cambia el estado lógico en su terminal de salida mientras esté en presencia del flujo magnético. O sea, posee un funcionamiento análogo a un Reed Switch con la característica (y diferencia) de que es un circuito integrado que cambia su estado lógico (0 a 1 o viceversa) cuando se expone a un flujo magnético. El mercado nos ofrece decenas de modelos de sensores, pero lo más sencillo y rápido de hacer es utilizar los que vienen dentro de los sopladores utilizados en cada fuente de alimentación. ¿No lo sabías? Desarma un “cooler” o “ventilador” de 12Volts de una fuente de alimentación de ordenador y allí dentro encontrarás, en la placa donde se conectan las bobinas del estator, un pequeño dispositivo de tres pines con aspecto de transistor pero que en realidad es un sensor Hall. Todos lo traen. Una vez identificado, utiliza Google para obtener su hoja de datos y así saber su conexión correcta. Esto último no siempre es necesario al ser tan sólo tres conexiones: alimentación, GND y salida. Por simple lógica quizás puedas identificarlo y aprovecharlo. Identifícalo según la imagen inferior.

 

El programa del PIC
Nuestro programa está hecho en Basic, todo un impedimento para muchos, aunque las estructuras son muy sencillas de comprender y trasladar a cualquier otro lenguaje de programación. La organización se basa en pocas partes fundamentales:

• Definir el dispositivo y la frecuencia de reloj (DEVICE)

• Definir los parámetros de la comunicación serie hacia el ordenador a 38400 BPS (mi primera conexión a Internet era a través de un módem Dial-Up a 28800 !!!) (HSERIAL_BAUD)

• Definir las variables a utilizar dentro del programa (SYMBOL y DIM)

• Iniciar el programa.

• Reset al SHT11.

• Leer las variables de temperatura y humedad desde el SHT11 y cargarlas en variables (SHIN – SHOUT)

• Contar durante 15 segundos la cantidad de impulsos que nos entrega el detector de velocidad del viento (sensor Hall) y cargar esta información en una variable (COUNTER)

• Leer el puerto B para detectar la dirección del viento (Reed Swich) y cargar esta información en dos variables (en formato de caracteres ASCII) (IF-THEN)

• Generar un número aleatorio para no enviar la información al ordenador siempre al mismo momento sino para hacerlo cada determinados intervalos variables de tiempo (Esto es útil cuando se utilizan muchos terminales en la red y existe la probabilidad de colisión de datos) (RANDOM)

• Observar si el bus está siendo ocupado por otro terminal (“escuchar el bus”) y esperar a que se terminen las transmisiones (HSERIN)

• Transmitir datos obtenidos (HSEROUT)

• Reiniciar el ciclo del programa.

En sólo doce pasos, hacemos funcionar de manera satisfactoria nuestra estación meteorológica. La rutina de trabajo del SHT11 fue adaptada a esta aplicación según ejemplos encontrados en foros especializados en el lenguaje Basic y la comunicación serie con el ordenador contempla la posibilidad de ubicar la estación meteorológica como parte funcional de una gran red. En el programa utilizado en el ordenador, las rutinas están dispuestas para utilizar la estación como un único terminal dentro de una red RS485, pero si estudias y observas bien el programa del PIC descubrirás las rutinas para hace funcionar este montaje dentro de una red más amplia, funcionando, no de manera autónoma, sino como un terminal esclavo (slave). Por supuesto, eso forma parte de tu investigación y ganas de aprender. Si lo único que deseas es que esto funcione, carga el programa en el PIC y todo funcionará de manera correcta. Cuando desees dar un paso más, todo estará allí esperándote.

 

El programa en el ordenador
Para que puedas visualizar los datos recibidos desde la estación, hemos construido una pequeña aplicación en Visual Basic que, como dijimos antes, podrás adaptar a tus necesidades de uso. La estructura del programa es muy elemental y en ella se destaca el uso del MSComm para comunicarnos a través del puerto serie con el PIC. Sólo es necesaria la correcta configuración de la comunicación y el resto serán etiquetas (LABEL) donde se visualizarán los datos recibidos desde el PIC. Todo este proceso será gobernado por un Timer que se refrescará cada 150mSeg., siempre a la espera de nuevos datos.

 

Recuerda, tú puedes agregar más efectos gráficos o cambiar la distribución de los datos de acuerdo a tu conveniencia, rescatando los datos útiles de la cadena enviada por el PIC. Para facilitar esta operación, observarás que cada transmisión de datos desde el PIC al ordenador viene precedida por un código ASCII que equivale a un asterisco (42) (que aparece en los datos visualizados, a modo de separador) y finaliza con un caracter 32 (espacio en blanco). Identificar esto caracteres dentro de la cadena de datos te permitirá manipular la variable “buferentrada” a voluntad.

Conclusiones
Todos los desarrollos, montajes y construcciones poseen pequeños “secretos o claves” de fabricación y armado. Demás está aclarar que el primero y principal es la prolijidad y la buena terminación mecánica para esta estación meteorológica. No olvides que esto estará allí afuera expuesto al sol, al frío, a la lluvia y al calor. No puedes construir algo que en dos semanas ya no funcione más. El resto está en conseguir los materiales óptimos que mejor se desempeñen en cada parte del montaje. El PIC, el SHT11, los conjuntos mecánicos de motor Drum y tambor de obsoletos reproductores VHS, caños plásticos y una construcción robusta son los pilares del éxito de esta realización. La parte mecánica o física del desarrollo puede ser la más compleja de realizar debido al tiempo que requiere un acabado óptimo, pero ten en cuenta que será la garantía de un funcionamiento correcto. Esperamos que las magnitudes medidas por el desarrollo presentado te resulten útiles en múltiples aplicaciones, sea en forma individual o conjunta.

 

Programa para el PIC:  Download
Programa para el ordenador:  Download
Circuito a mayor tamaño:  Download

 

Fuente: Neoteo (Parte I) y Neoteo (Parte II)

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