iel2-ii-05-14 mejoramiento de un prototipo de anemómetro

IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido

MEJORAMIENTO DE UN PROTOTIPO DE

ANEMOMETRO POR ULTRASONIDO

LINA PAOLA JIMENEZ LIZARAZO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA

BOGOTA

2005


2

MEJORAMIENTO DE UN PROTOTIPO DE

ANEMOMETRO POR ULTRASONIDO

LINA PAOLA JIMENEZ LIZARAZO

Proyecto de Grado para optar al Título de

Ingeniero Electrónico

Asesores

MAURICIO GUERRERO

Ingeniero Eléctrico, MSc

ALVARO PINILLA

Ingeniero Mecánico, MSc, Phd

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA

BOGOTA

2005


3

A Mi Familia,

Por su total confianza y permanente apoyo a lo largo de

mis estudios y en la realización de este proyecto


4

AGRADECIMIENTOS

A mis asesores los Ingenieros Álvaro Pinilla y Mauricio Guerrero por su desinteresada y

oportuna colaboración, así como los comentarios acertados y necesarios que me hicieron

en los momentos precisos.

A todo el personal que trabaja en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica e Ingeniería

Electrónica por su apreciable colaboración y apoyo a lo largo del desarrollo de este

Proyecto.


5

TABLA DE CONTENIDOS

0 INTRODUCCION ...................................................................................................... 12

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................. 13

2 METODOLOGIA DE MEDICION POR ULTRASONIDO.................................. 14

2.1 Teoría de Medición de la Velocidad del Viento ............................................... 14

3 TRANSDUCTORES ULTRASONICOS.................................................................. 16

3.1 Respuesta en Tiempo.......................................................................................... 17

3.2 Atenuación por Distancia................................................................................... 17

3.3 Consideraciones de Montaje.............................................................................. 17

4 DISEÑO DEL DISPOSITIVO................................................................................... 17

4.1 Prototipo Anterior .............................................................................................. 18

4.1.1 Estructura Física......................................................................................... 18

4.1.2 Diseño Electrónico ...................................................................................... 20

4.2 Prototipo Desarrollado....................................................................................... 20

4.2.1 Diseño Mecánico ......................................................................................... 20

4.2.1.1 Anemómetros Comerciales .................................................................... 21

4.2.1.2 Requerimientos del Nuevo Prototipo .................................................... 23

4.2.1.3 Selección del Material............................................................................. 24

4.2.1.4 Estructura Física del Anemómetro ....................................................... 25

4.2.1.5 Mecanizado del Prototipo ...................................................................... 26

4.2.2 Diseño Electrónico ...................................................................................... 26

4.2.2.1 Arquitectura General............................................................................. 26

4.2.2.2 Especificación por Bloques .................................................................... 27


6

4.2.2.2.1 Módulo Remoto................................................................................. 30

4.2.2.2.1.1 Bloque de Generación de Señal ................................................ 31

4.2.2.2.1.2 Bloque de Selección.................................................................... 32

4.2.2.2.1.3 Conteo de Tiempo ...................................................................... 33

4.2.2.2.1.4 Bloque Conversión Análogo / Digital....................................... 34

4.2.2.2.1.5 Bloque Acondicionamiento de Señal........................................ 34

4.2.2.2.1.6 Bloque Tiempo Real .................................................................. 35

4.2.2.2.1.7 Bloque Memoria......................................................................... 36

4.2.2.2.1.8 Bloque de Control...................................................................... 37

4.2.2.2.2 Módulo Base...................................................................................... 39

4.2.2.2.2.1 Visualización .............................................................................. 40

4.2.2.2.3 Bloque Comunicaciones ................................................................... 42

4.2.2.2.3.1 Alternativas de Comunicación Inalámbrica ........................... 43

4.2.2.2.3.2 Protocolo de Comunicación ...................................................... 45

4.2.2.2.4 Bloque Alimentación Eléctrica ........................................................ 48

4.2.2.2.4.1 Requerimiento de Potencia....................................................... 48

4.2.2.2.4.2 Alternativas de Alimentación Eléctrica................................... 49

4.2.2.2.4.2.1 Teoría sobre un Panel Solar............................................... 50

4.2.2.2.4.2.2 Dimensionamiento y Selección de un Panel Solar ........... 56

5 IMPLEMENTACION Y VALIDACION................................................................. 58

5.1 Hardware ............................................................................................................. 58

5.1.1 Módulo de Selección ................................................................................... 59

5.1.2 Módulo de Conversión A/D........................................................................ 59

5.1.3 Módulo de Acondicionamiento de la Señal .............................................. 60


7

5.1.4 Módulo de RTC........................................................................................... 61

5.1.5 Módulo de Almacenamiento...................................................................... 62

5.1.6 Módulo de Comunicaciones....................................................................... 62

5.1.7 Módulo de Alimentación Eléctrica............................................................ 64

5.2 Software............................................................................................................... 65

5.2.1 Módulo de Generación de Señal................................................................ 65

5.2.2 Módulo de Conteo de Tiempo.................................................................... 66

5.2.3 Módulo de Control...................................................................................... 66

5.2.4 Módulo de RTC........................................................................................... 67

5.2.5 Módulo de Almacenamiento...................................................................... 67

5.2.6 Módulo de Visualización............................................................................ 68

5.2.7 Módulo de Comunicaciones....................................................................... 72

5.3 Costos del Material............................................................................................. 76

6 RESULTADOS OBTENIDOS .................................................................................. 77

6.1 Calibración de Cápsulas Ultrasónicas .............................................................. 77

6.2 Pruebas realizadas en el Túnel de Viento......................................................... 80

6.2.1 Prototipo Anterior ...................................................................................... 80

6.2.2 Prototipo Actual.......................................................................................... 81

6.3 Pruebas realizadas al aire libre ......................................................................... 82

6.3.1 Prototipo Anterior ...................................................................................... 84

6.3.2 Prototipo Actual.......................................................................................... 85

6.4 Consumo de Potencia ......................................................................................... 87

6.5 Transmisión de Datos......................................................................................... 88

6.6 Conclusiones........................................................................................................ 89


8

7 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS ................................................................... 89

8 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ....................................................................... 91

INDICE DE ANEXOS

ANEXO A. PLANOS MECANICOS …………………………………………………...92

ANEXO B. PLANOS ELECTRICOS…………………………………………………...94

ANEXO C. SELECCIÓN CONTROLADOR…………………………………………..97

ANEXO D. DISTRIBUIDORES PANELES SOLARES……………………………….99

ANEXO E. DISTRIBUIDORES REGULADORES PARA PANELES SOLARES….99

ANEXO F. DISTRIBUIDORES BATERIAS………………………………………….100

ANEXO G. TIPOS DE COMUNICACIÓN INALAMBRICA……………………….101

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Dirección y Magnitud de la Velocidad del viento……………………………14

Figura 2. Prototipo propuesto durante el semestre 2004-2…………………………….18

Figura 3. Prototipo propuesto en el semestre 2005-II…………………………………..24

Figura 4. Arquitectura General del S istema…………………………………………….26

Figura 5. Diagrama de Bloques de Alto Nivel…………………………………………..26

Figura 6. Módulo Anemómetro…………………………………………………………..27

Figura 7. Módulo Interfaz Usuario………………………………………………………28


9

Figura 8. Arquitectura Módulo Remoto………………………………………………...30

Figura 9. Alternativas de Sensores Ultrasónicos………………………………………..31

Figura 10. Características Cápsula 40CA-18SC………………………………………..31

Figura 11. Multiplexación de la señal……………………………………………………32

Figura 12. Bloque Conteo de Tiempo……………………………………………………32

Figura 13. Diagrama de Bloques para el Acondicionamiento de la Señal

Ultrasónica………………………………………………………………………………...34

Figura 14. Arquitectura Módulo Base…………………………………………………...39

Figura 15. Diagrama de Flujo para el cálculo del CRC8………………………………45

Figura 16. Construcción de un Panel Fotovoltaico……………………………………..50

Figura 17. Componentes de un Panel……………………………………………………51

Figura 18. Características Lumínicas……………………………………………………53

Figura 19. Conformación de un Panel Solar…………………………………………….55

Figura 20. Esquemático Módulo de Selección…………………………………………..58

Figura21. Esquemático Sensor de Temperatura……………………………………….59

Figura 22. Esquemático Módulo de Acondicionamiento………………………………59

Figura 23. Esquemático RTC…………………………………………………………….60

Figura 24. Esquemático memoria………………………………………………………..61

Figura 25. Esquemático Comunicaciones……………………………………………….62

Figura 26. S istema de Back- Up………………………………………………………….64

Figura 27. Direccionamiento de la Memoria……………………………………………67

Figura 28. Interfaz Gráfica de Visual Basic ……………………..……………………..68

Figura 29. Aviso de Notificación memoria llena………………………………………..69

Figura 30. Datos Descargados de la memoria…………………………………………..69


10

Figura 31. Datos tomados S imultáneamente……………………………………………70

Figura 32. Túnel de Viento……………………………………………………………….76

Figura 33. Izquierda: Tubo de Pitot. Derecha: Anemómetro de Cazoletas…………...77

Figura 34. Instalación en el Túnel de Viento……………………………………………77

Figura 35. Calibración Prototipo Anterior……………………………………………...78

Figura 36. Calibración Prototipo Actual………………………………………………...78

Figura 37. Mapa de Velocidades…………………………………………………………79

Figura 38. Mapa de Velocidades Proyecto 2004-II……………………………………..80

Figura 39. Mapa de Velocidades Prototipo 2005-II…………………………………….81

Figura 40. Calibración Anemómetro de Cazoletas……………………………………82

Figura 41. Instalación Anemómetro Proyecto realizado en 2004-II…………………..83

Figura 42. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2004-II………………………………..84

Figura 43. Instalación prototipo 2005-II………………………………………………...85

Figura 44. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2005-II………………………………...85

Figura 45. Consumo de Corriente……………………………………………………….87

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Anemómetros Comerciales …………………………………………………….21

Tabla 2. Comparación entre materiales…………………………………………………23

Tabla 3. Formato de datos para el DS1307……………………………………………...34

Tabla 4. Datos almacenados por medición………………………………………………35

Tabla 5. Señales Microcontrolador………………………………………………………37

Tabla 6. Alternativas de comunicación inalámbrica……………………………………42


11

Tabla 7. Cálculo de Potencia Consumida Módulo Remoto…………………………….48

Tabla 8. Comparación Panel Solar vs Aerogenerador…………………………………48

Tabla 9. Componentes seleccionados para el Panel Solar……………………………...56

Tabla 10. Bits de control de las cápsulas ………………………………………………..65

Tabla 11. Organización de Datos en Memoria Externa………………………………..67

Tabla 12. Codificación órdenes…………………………………………………………..72


12

0 INTRODUCCION

Teniendo en cuenta los altos costos que actualmente se pagan por concepto de energía y la

necesidad de reducirlos de manera considerable, se vio la importancia de recurrir a otros

medios para su obtención y es así como, nació la necesidad de utilizar las energías

renovables y el viento que es una de las grandes fuentes de energía.

Para la medición de las variables del viento se han usado instrumentos mecánicos por

muchos años que son relativamente económicos, los cuales están compuestos por varias

partes móviles que requieren un constante mantenimiento, por su acelerado desgaste entre

los que se encuentran el anemómetro de propela y el anemómetro de cazoleta, lo cual

origina altos costos por su reemplazo y mano de obra.

Por lo anterior, se vio la obligación de crear instrumentos que no sufran estos problemas y

de allí nace la producción de dispositivos electrónicos para medir el viento, los que tienen

una vida útil mucho mayor y su mantenimiento no es tan periódico y aunque el costo de

estos es mayor, sí se obtienen excelentes beneficios económicos y de precisión. Entre este

tipo de anemómetros se encuentran el de Hilo Caliente, los de Efecto Doppler y los

Ultrasónicos.

Con este proyecto se pretende desarrollar un anemómetro de tipo Ultrasónico que sea

competitivo a nivel comercial, tanto en costo como en funcionalidad, para lo cual

tomamos como base los trabajos realizados anteriormente acerca de la validación y el

diseño de anemómetros Ultrasónicos ([1],[2],[3],[4], [5]), con el fin de activar un sistema

que haga la medición de la velocidad del viento autónomamente y envíe los datos en forma

inalámbrica, ahorrándole incomodidades al usuario.


13

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El Proyecto de Grado IEL2-II-04-11, IM-2004-II-15 planteó la medición del viento por

tiempo de vuelo y ahora se desea adoptar esta teoría y continuar el desarrollo de un sistema

que la implemente y permita su utilización en aplicaciones con características específicas;

autónomo (tome energía del medio, inalámbrico y soporte condiciones atmosféricas).

Anteriormente, se hicieron pruebas de este anemómetro en lugares cerrados, por lo cual no

se vio la necesidad de seleccionar unas cápsulas que resistieran condiciones ambientales

reales, pero como quiera que este Proyecto está dirigido a que el anemómetro sea un

Prototipo Pre-Industrial, es necesario que este instrumento este al aire libre, para lo cual se

debe hacer un cambio en los sensores que se tienen hasta el momento.

Los requerimientos del dispositivo son los siguientes:

• El instrumento debe ser capaz de adquirir, acondicionar y almacenar los datos de

velocidad, presión y temperatura de las condiciones ambientales a las que se

encuentra expuesto.

• Comunicarse inalámbrica y bidireccionalmente con un dispositivo de control que se

encuentra a 100m como máximo (el cual da las órdenes para que el anemómetro las

ejecute).

• La alimentación eléctrica debe ser autónoma e integrada al sistema.


14

• El instrumento debe ser autónomo en un período de un (1) mes como mínimo.

• Debe poseer componentes que soporten condiciones ambientales reales.

• Los materiales para su diseño y construcción deben ser de fácil adquisición.

• El primer mantenimiento debe hacerse por lo menos en el segundo año de

funcionamiento.

2 METODOLOGIA DE MEDICION POR ULTRASONIDO

2.1 Teoría de Medición de la Velocidad del Viento

La teoría de medición de la velocidad por ultrasonido tiene su origen en las ondas del

sonido, pero estas dependen del medio en el que se propagan. Una componente del viento

que va en la misma dirección que la onda sonora, le ayuda a viajar más rápido en esa

dirección. Caso contrario, cuando el viento va en dirección opuesta a la dirección de la

onda, este hace que la onda viaje con menor velocidad.

Teniendo esto en cuenta, se puede medir el tiempo que tarda una onda en viajar de un lugar

a otro y con base en esto se puede calcular la magnitud de la velocidad del viento en esa

dirección.

Como se dijo anteriormente, las ondas dependen del medio en el cual se transportan, lo que

implica que también se vean afectadas por la temperatura y la presión, por lo tanto, es

necesario medir la onda en ambas direcciones de propagación con el fin de eliminar la


15

incidencia que tienen estas variables sobre la onda. Para obtener la magnitud y dirección del

viento, se hace este procedimiento en dos direcciones como se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. Dirección y Magnitud de la Velocidad del viento

V : Vector Velocidad Viento θ: Dirección Velocidad Viento (con respecto a norte)

Para calcular la velocidad del viento se basa en la teoría de medición por tiempo de vuelo,

que es la más utilizada entre los anemómetros comerciales, la cual permite, como se dijo

anteriormente, calcular la magnitud y dirección de la corriente de aire, pero este modelo

asume que los dos transductores son idénticos, lo que no es del todo cierto, ya que los

transductores piezoeléctricos que se hacen a nivel micro son muy sensibles al proceso de

fabricación y esta diferencia hace que la incidencia del viento no sea eliminada. Esta teoría

dice lo siguiente:

VcD

t1 +=

VcD

t 2 −=

Ecuación 1 Ecuación 2

Donde,

t1 : Tiempo que tarda en llegar la onda cuando el viento va en la misma dirección

t2 : Tiempo que tarda en llegar la onda cuando el viento va en dirección contraria

D : Distancia entre transductores


16

c : Velocidad del Sonido

V: Velocidad del Viento

Como en las ecuaciones 1 y 2 las variables que se pueden medir son la distancia entre

transductores y el tiempo de paso, se puede partir de estas para despejar la velocidad de la

corriente de aire que está representada por la siguiente ecuación:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

21 t1

t1

2D

V

Ecuación 3

En esta última ecuación se ve claramente la NO dependencia de la velocidad del sonido, lo

que implica que se ha eliminado la dependencia de la temperatura del medio en la onda en

una dirección, como se explicó anteriormente.

3 TRANSDUCTORES ULTRASONICOS

La definición de transductor es convertir un tipo de energía en otra y el ultrasonido se

encuentra en un rango de frecuencia mayor a 20kHz que es la frecuencia máxima auditiva.

Un transductor ultrasónico consiste en una membrana de material piezoeléctrico, la cual al

ser excitada eléctricamente comienza a vibrar produciendo una onda mecánica y viceversa.

La membrana puede ser excitada físicamente produciendo una onda eléctrica que es

proporcional a la magnitud de la vibración y se denominan ultrasónicos debido a que la

frecuencia de excitación debe ser mayor a 20kHz.


17

3.1 Respuesta en Tiempo

Los transductores ultrasónicos son sistemas mecánicos dinámicos que poseen inercias y

requieren de ciertas características para su estabilización. Estos transductores funcionan

como un circuito pasa-banda, donde al ser excitados por fuera de un rango específico no

generan respuesta alguna. También se comportan como sistemas de segundo orden, los

cuales requieren de un tiempo para estabilizase, lo que hace que la velocidad de trabajo sea

restringida. Este tiempo de estabilización sirve para saber por cuánto tiempo se debe enviar

la señal que se desea trasmitir, para que el sensor receptor se estabilice y se pueda hacer una

medición correcta.

3.2 Atenuación por Distancia

Esta característica es bastante importante ya que define la amplificación que se debe hacer a

la onda receptora, en función de la separación de los sensores, además, de la orientación de

los mismos, ya que algunos de estos sensores son diseñados para emitir la onda en todas las

direcciones y otros solo la emiten en una dirección.

3.3 Consideraciones de Montaje

El instrumento debe estar instalado a una distancia no mayor a 100m del módulo base.

4 DISEÑO DEL DISPOSITIVO


18

Para el diseño del dispositivo se partió de una especificación muy general de lo que se

deseaba hacer y a medida que se iban especificando funciones especiales que debía realizar

el dispositivo, se fueron creando bloques que realizaban estas funciones y es así como se

fue desenglosando el diseño. Para la descripción del dispositivo se utilizó la metodología

Top-Bottom, la cual se detalla a medida que se avanza en la descripción de los bloques

funcionales que componen el dispositivo.

4.1 Prototipo Anterior

En esta sección se hará una breve descripción del prototipo recibido, sobre el cual se partió

para continuar este proyecto.

Se recibió un dispositivo encargado de medir la velocidad del viento en dos direcciones

(Norte – Sur y Este - Oeste), Temperatura y Presión ambiente. La velocidad del viento se

medía por medio de un par de cápsulas ultrasónicas y la temperatura y presión por medio de

sensores análogos. Este prototipo tiene un módulo de comunicación con un computador y

los datos eran almacenados y visualizados en este. Aunque este dispositivo presentó buenos

resultados, tenía algunos problemas con respecto al montaje, los cuales se mencionan a

continuación.

4.1.1 Estructura Física


19

Figura 2. Prototipo propuesto durante el semestre 2004-2

En la Figura 2 se presenta el diseño mecánico de este prototipo, el cual presenta algunos

inconvenientes con respecto al ensamble de las partes. La base fue diseñada en SolidEdge y

está hecha en ABS en la máquina de prototipado rápido suministrada por el Laboratorio de

Ingeniería Mecánica de la Universidad. Los brazos están hechos de aluminio y están

empotrados en unas bases de ABS que se deslizan por medio de unos tornillos para

modificar la distancia entre las cápsulas en las dos direcciones. Esta movilidad presenta

poca precisión, ya que permite que los brazos vibren cuando una corriente de viento es

fuerte, además el ajuste entre los brazos y la base no es muy aceptable, porque se usaron

materiales diferentes.

También, se puede observar en la Figura que las cápsulas no están completamente

alineadas, lo que origina una medición errónea. Pero el hecho que las cápsulas sean de

tamaño considerablemente pequeño y gracias a la geometría de los brazos, el viento puede

seguir su camino sin que se presente una perturbación apreciable. El flujo de viento es

ordenado y laminar. Esto es lo que tratará de conservar en el nuevo modelo, haciendo las

mejoras respectivas a los problemas mencionados con anterioridad.


20

4.1.2 Diseño Electrónico

Como se mencionó al comienzo de esta sección, este instrumento posee dos pares de

sensores ultrasónicos con la referencia 40T-10AW, un sensor de temperatura LM35 que es

de fácil adquisición comercial y un sensor de presión MPX5700. Estos dos últimos

presentaron muy buenos resultados, por lo tanto, se conservarán para el nuevo prototipo.

Se manejó un PIC18F8620 para controlar las señales hacia las cápsulas y generar la

frecuencia de 40kHz que requieren, este dispositivo también posee conversores análogo-

digitales para digitalizar la señal proveniente de los sensores de presión y temperatura.

Además, posee un módulo de comunicación serial con el cual se hizo la interfaz con el

computador. En el computador se diseñó un programa en Visual Basic para la toma de

datos, el cual es fácil de usar y llamativo para el usuario.

La multiplexación de las señales dirigidas a y provenientes de las cápsulas se hizo por

medio de switches análogos (ADG511) y amplificadores operacionales (LF353).

4.2 Prototipo Desarrollado

En esta sección se dará solución a los requerimientos del nuevo prototipo para realizar un

correcto diseño tanto a nivel mecánico como a nivel electrónico.

4.2.1 Diseño Mecánico


21

En esta parte del diseño se tratará todo lo relacionado a la parte física del dispositivo y su

importancia en las mediciones.

4.2.1.1 Anemómetros Comerciales

Con el fin de establecer las características de este anemómetro ultrasónico, se hizo un

estudio acerca de los anemómetros que se consiguen comercialmente y a continuación se

lista lo que se encontró.

Estructura Características

RISO P2546

Tipo: Anemómetro de Cazoletas Dimensiones: 285mm x 188mm x 188mm Material: Aluminio Anodizado Rango de Medición: 0-70 m/s Desviación: 0.014 m/s Rango de Temperatura: -35°C - 60°C Alimentación Eléctrica: No requiere energía externa

YOUNG 3-D Modelo 81000

Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 3 – D Dimensiones: 550mm x 170mm x 170mm Rango de Medición: 0-30 m/s Precisión: ±3% Rango de Temperatura: -50°C - 50°C Alimentación Eléctrica: 12-24 VDC @ 100 mA Comunicación: RS-232 y RS-485 @ 9600 – 38400 bps


22

YOUNG 2-D Modelo 85000

Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 2 – D Dimensiones: 340mm x 170mm x 170mm Rango de Medición: 0-60 m/s Precisión: ±3% Rango de Temperatura: -50°C - 50°C Alimentación Eléctrica: 9-16 VDC @ 400 mA Comunicación: RS-232 y RS-485 @ 9600 – 38400 bps

WIDNSONIC

Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 2 – D Dimensiones: 142mm x 142mm x 160mm Rango de Medición: 0-60 m/s Precisión: ±2% Rango de Temperatura: -35°C - 70°C Alimentación Eléctrica: 9-24 VDC @ 14.5 mA Comunicación: RS-232, RS-422 y RS-485

WNT 918020

Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 2 – D Dimensiones: 300mm x 290mm x 290mm Rango de Medición: 0-60 m/s Precisión: ±0.7m/s Rango de Temperatura: -20°C - 50°C Alimentación Eléctrica: 13.2 VDC @ 3000 mA Comunicación: RS-232

Tabla 1. Anemómetros Comerciales

De la tabla anterior se pueden tomar las características más importantes para tenerlas en

cuenta para el diseño del nuevo prototipo. Estas características se mencionan en la siguiente

sección.


23

4.2.1.2 Requerimientos del Nuevo Prototipo

Después de mencionar los inconvenientes que tenía el anterior prototipo y el

funcionamiento que se espera del nuevo, se puede decir que a nivel mecánico se requiere

que el anemómetro sea principalmente muy robusto físicamente, lo que implica que no

debe tener parte móviles (ya que éstas hacen que el anemómetro pierda rigidez), sería

preferible que el material de cada parte que compone el anemómetro sea del mismo

material, esto, con el fin que el ajuste entre piezas tenga la menor tolerancia posible, ya que

si los materiales son diferentes, el material más duro puede deteriorar uno de menor dureza.

Igualmente, es necesario que el material con el cual va a ser construido el anemómetro sea

capaz de soportar condiciones de lluvia sin corroerse, toda vez que el instrumento estará

expuesto al aire libre. Al igual que el material, los componentes para medir la velocidad,

temperatura y presión deben soportar condiciones de intemperie, sin producir una

degradación temprana, tanto de la señal como de ellos mismos.

La estructura física del nuevo anemómetro debe ser llamativa y amigable a la vista de un

usuario, los soportes que contienen las cápsulas deben ser delgados, con cambios de

sección suaves y curvaturas no muy bruscas con el fin de NO distorsionar la línea de aire

que va hacia los sensores, produciendo turbulencia en el ambiente y la lectura errónea de

los datos.

Por último, se debe garantizar que los brazos que soportan los sensores ultrasónicos deben

estar muy bien alineados para hacer una correcta medición de los datos.


24

4.2.1.3 Selección del Material

Como se dijo anteriormente, se requiere un material que permita que el instrumento sea

rígido y que soporte condiciones de intemperie, para lo cual se tomo como opción el

acero inoxidable, el aluminio y el ABS. En la tabla siguiente se presentan las ventajas y

desventajas de cada material.

Material Ventajas Desventajas

Acero Inoxidable

• Rígido • Alta dureza y resistencia • Es Inoxidable • Fácil montaje con partes

roscadas

• El mecanizado no es fácil. No se pueden hacer piezas muy complicadas

Aluminio

• Liviano • Anticorrosivo

• Alta ductilidad lo que hace que las partes roscadas se dañen por esta propiedad

• Se permite mecanizar con facilidad

• Es el menos costoso

ABS

• Liviano • No tiene problemas con el agua • Se pueden hacer formas

complicadas (máquina de prototipaje rápido)

• Alta tolerancia entre partes • Es el más costoso de los tres

Tabla 2. Comparación entre materiales

Con base en la Tabla 2, se seleccionó el Acero Inoxidable debido a que se ajusta a la

característica de rigidez, que es la más importante, permite un montaje sencillo y no se

degraden las roscas debido a su alta dureza. A pesar que el mecanizado no es sencillo, se

puede diseñar un anemómetro con partes fáciles de maquinar y montar, además que sea

llamativo para la empresa o persona interesada en adquirirlo.


25

4.2.1.4 Estructura Física del Anemómetro

Después de seleccionar el material a trabajar, se procede con el diseño del instrumento.

Como se dijo en la sección anterior, las partes diseñadas deben ser de fácil mecanizado, por

tanto deben tener superficies planas o cónicas o ser partes cilíndricas, las cuales son fáciles

de maquinar en torno o fresa. Las partes que componen el anemómetro físicamente son:

Cuatro (4) brazos que soportan los sensores ultrasónicos, una base donde van los brazos, un

soporte de todo el anemómetro.

El diseño de las partes se hizo en SolidEdge, un software de diseño en 3-D, se trató de

conservar las medidas del anterior prototipo, ya que eran bastante adecuadas (los planos se

presentan en el ANEXO A) resultando el prototipo mostrado en la Figura 3.

Figura 3. Prototipo propuesto en el semestre 2005-II

En la Figura 3 se puede ver que toda la estructura está hecha del mismo material (Acero

Inoxidable), las curvas son suaves y los cambios de sección no son bruscos, como es el caso

de las cápsulas que cargan los sensores ultrasónicos. Estas últimas tienen esta forma, con el

fin de que la línea de viento no se distorsione y produzca turbulencia. La base tiene


26

superficies planas, aclarando que no fue fácil redondear las cuatro puntas, dada la dureza

del material.

4.2.1.5 Mecanizado del Prototipo

Todo el instrumento fue elaborado en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica con las

máquinas suministradas allí, como son Tornos (para elaborar las partes cónicas y partes con

roscas), fresadora (para crear superficies planas como la base), taladros, esmeril para pulir

las piezas y darles un buen acabado. Pero a pesar de esto, el acabado no fue el más óptimo,

por lo que fue necesario que todas las piezas fueran pulidas para darles un acabado fino.

4.2.2 Diseño Electrónico

Para esta etapa del diseño del Anemómetro se describe el problema general y más adelante

se va detallando en cada etapa sus características, con el fin de dar una visión general del

problema, para posteriormente ir especificando cada parte con su solución respectiva.

4.2.2.1 Arquitectura General

La Arquitectura del Sistema se basa en los requerimientos del Prototipo, los cuales se

especificaron en la Sección 1 (Planteamiento del Problema). Esta Arquitectura se muestra

en la Figura 4.


27

Figura 4. Arquitectura General del S istema

En la Figura 4 se presentan los bloques generales y funcionales del prototipo, los cuales

serán explicados con detalle más adelante.

4.2.2.2 Especificación por Bloques

A continuación se presenta el dispositivo por medio de un diagrama de bloques de alto nivel (Figura 5).

Figura 5. Diagrama de Bloques de Alto Nivel

AMBIENTE SISTEMA ANEMOMETRO

INTERFAZ USUARIO USUARIO

RX - Datos

TX - Ordenes


28

Para entender el comportamiento general del dispositivo es necesario especificar cada uno

de los bloques de la Figura 5.

Ambiente: El anemómetro va a trabajar bajo condiciones ambientales a campo abierto, de

lo cual se concluye que el fluido con el que se va a trabajar es aire.

Anemómetro: El anemómetro debe ser capaz de medir seis (6) variables: Temperatura,

Presión, Velocidad N-S, Velocidad S-N, Velocidad E-O y Velocidad O-E. Para realizar

estas funciones se deben especificar varios bloques (Ver Figura 6), los cuales se describen

en las siguientes secciones.

Figura 6. Módulo Anemómetro

Usuario: Es la persona que finalmente desea hacer las mediciones del viento por medio del

anemómetro.

Interfaz con el Usuario: Este módulo se encarga de crear un ambiente amigable (fácil de

manipular) entre el usuario y el sistema de medición. Además, cumple la función de

interpretar las órdenes del usuario para ser transmitidas hacia el anemómetro y la respuesta

de éste hacia el usuario. Esta comunicación entre el usuario y el anemómetro se hará de

forma inalámbrica (Ver Figura 7).

Cápsulas Ultrasónicas

N-S

Cápsulas Ultrasónicas

E-O

Sensor Temperatura

Sensor Presión

AMBIENTE

TVUELO NS TVUELO SN

TVUELO EO TVUELO OE

Temperatura

Presión


29

Figura 7. Módulo Interfaz Usuario

En este último módulo se desencadenan varios módulos:

- Módulo Remoto: Este módulo se encarga hacer la comunicación entre el módulo

base y el anemómetro cumpliendo las siguientes funciones:

• Generar la señal de excitación hacia las cápsulas transmisoras y recibir el dato

captado por los sensores receptores.

• Seleccionar la cápsula que va a enviar la señal en la dirección que se desea medir

– Multiplexación.

• Realizar la calibración de los sensores en las dos direcciones – NS y OE.

• Recibir las señales análogas de los sensores de Presión y Temperatura y las

convierte en señales digitales.

• Realizar el conteo de tiempo que tarda la señal generada en viajar de una cápsula a

la otra, para el posterior cálculo de la velocidad.

• Realizar el muestreo de los sensores cada 2 segundos y almacena los datos

medidos en una memoria cada 10 minutos.

• Poseer un reloj autónomo con el cual se sabe la hora exacta en la que se hizo una

medición.

- Módulo Base: Este módulo controla el flujo de datos desde y hacia el usuario

provenientes del módulo remoto, entre los cuales está el envío de órdenes hacia el

anemómetro y su respectiva respuesta.

MODULOBASE TX/RX

MODULOREMOTO

TX/RX USUARIO ANEMOMETRO


30

Todos estos módulos requieren de alimentación eléctrica para su funcionamiento. Es por

esto que existe un módulo encargado de realizar esta función.

También existe un módulo que especifica el control del protocolo de la comunicación

inalámbrica.

Como se dijo al comienzo de este documento, se desea que todos los componentes sean de

fácil adquisición en Colombia, por tanto, se van a utilizar componentes que funcionen entre

los niveles lógicos de 0 y 5V.

4.2.2.2.1 Módulo Remoto

Como se dijo anteriormente, este módulo se encarga de recibir los datos provenientes del

módulo base, garantizar que son correctos (decodificación – ver Sección Bloque de

Comunicaciones) y ejecutar la orden que se está solicitando. Para realizar cada tarea, a

continuación se especifica cada uno de los bloques que compone el sistema y se ilustran en

la Figura 8.


31

Figura 8. Arquitectura Módulo Remoto

4.2.2.2.1.1 Bloque de Generación de Señal

Lo primero que se debe hacer es la selección de los sensores ultrasónicos. En los Proyectos

de Grado IM-2004-II-15 e IEL2-II-04-11 [4] se utilizaron los sensores de referencia 40T-

10AW (ver Figura 9 (a)) con los cuales se obtuvo muy buenos resultados, pero estas

cápsulas no poseen ningún tipo de protección para intemperie, por tanto, fue necesario

reemplazarlas. Después de analizar algunos modelos propuestos en el proyecto anterior, se

llegó a la conclusión de utilizar las cápsulas con referencia 40CA-18SC (Figura 9 (e)) de la

compañía APC, ya que soportan condiciones de intemperie y aunque son de mayor tamaño,

tienen buena respuesta tanto en tiempo como en ángulo de incidencia (Figura 10).


32

Figura 9. Alternativas de Sensores Ultrasónicos

Izquierda: (a) Cápsula 40T-10AW, (b) Cápsula de Alarmas Ultra, (c) Cápsula de Sigma Electrónica

Derecha: Cápsula 40CA-18SC

Figura 10. Características Cápsula 40CA-18SC [14]

Como se puede ver en la Figura 10, las cápsulas seleccionadas trabajan a una frecuencia de

40kHz, entonces, el Bloque de Generación de Señal cumple la función de generar una señal

cuadrada de 40kHz entre 0 y 5V.

4.2.2.2.1.2 Bloque de Selección

Este bloque se encarga de recibir la señal de 40 kHz y la dirección en la cual se desea medir para seleccionar la cápsula que se va a activar, para esto, se requiere hacer un sistema de multiplexación (o selección) que determina la cápsula que va a enviar la señal y la


33

cápsula que va a recibir su respuesta (ver Figura 11). Este bloque se conserva del prototipo anterior y se hace por medio de switches análogos con referencia ADG511 [17].

Figura 11. Multiplexación de la señal

4.2.2.2.1.3 Conteo de Tiempo

Este bloque se encarga de contabilizar el tiempo que tarda la señal generada en llegar a la

cápsula correspondiente, por ejemplo, si la señal se envió por la cápsula NS, ésta será

recibida por la cápsula SN (Ver Figura 12). Este tiempo se mide por medio de un

contabilizador de pulsos, el cual cuenta los pulsos recibidos por la cápsula receptora y este

número de pulsos está relacionado con el tiempo que tardó la onda en llegar y

consecuentemente con la velocidad del viento.

Figura 12. Bloque Conteo de Tiempo

Dirección Velocidad

Multiplexación (Habilitador)

1

Cápsula NS

Cápsula SN

Cápsula OE

Cápsula EO

Demultiplexación (Habilitador)

Acondicionamient

4

Generador de Frecuencia

14


34

4.2.2.2.1.4 Bloque Conversión Análogo / Digital

Este módulo se encarga de recibir las señales análogas provenientes de los sensores de

Temperatura y Presión que se encuentran entre 0 y 5V para ser posteriormente

digitalizadas. La resolución de estos conversores se establece en 8 bits, lo que da una

resolución en voltaje de 0.02V.

Para cumplir con este objetivo, se debe tener en cuenta los sensores que se van a utilizar.

Para medir la temperatura se conservará el sensor usado en el Proyecto anterior con

referencia LM35 [15], que posee una resolución de 10mV/°C y funciona entre 0°C-50°C, al

cual se le debe hacer una etapa de amplificación con ganancia de 10, para poder enviar la

señal al conversor. Se va a utilizar el amplificador operacional LF 353 [18].

También, se conservará el sensor de Presión del Proyecto anterior con referencia

MPX5700-AP [16] que funciona entre 0kPa-700kPa y la salida es entre 0 y 5V, por tanto,

no requiere ninguna etapa de amplificación.

4.2.2.2.1.5 Bloque Acondicionamiento de Señal

Este bloque tiene varias funciones. Recibe la señal percibida por la cápsula receptora y

realiza algunas etapas de amplificación y filtrado (ver Figura 13). Esto se debe hacer porque

la señal que reciben las cápsulas es de muy baja potencia y se encuentra en el rango de los

milivoltios. Además, debido al principio de funcionamiento de los sensores ultrasónicos

(explicado en la sección 3), estos pueden percibir frecuencias o vibraciones de otros

equipos, por lo que es necesario dejar pasar solo las señales que se encuentran alrededor de


35

40 kHz. El filtro que cumple esta función se diseñará con un ancho de banda de 20 kHz y se

utilizarán los amplificadores LF 353.

Figura 13. Diagrama de Bloques para el Acondicionamiento de la Señal Ultrasónica

4.2.2.2.1.6 Bloque Tiempo Real

Tomando como base las especificaciones dadas inicialmente, se requiere guardar los datos

cada 10 minutos, por lo cual, es indispensable saber la hora exacta en la cual se hizo la

medición y almacenarla junto con los demás datos tomados. Para esto, se hizo la selección

de un Reloj de Tiempo Real (RTC-Real Time Clock) DS1307 [10] que funciona con el

protocolo I2C (dos líneas) y ocupa poco espacio (8-pin DIP). Para un funcionamiento

autónomo, este dispositivo requiere de una pila de 3V y que solo se calibre una vez. En la

Tabla 3 se presenta el formato con el cual se escriben y leen los datos para el RTC.

Dato Rango Decenas Unidades Bits Decenas

Bits Unidades

Bits Total

Año 0-99 0-9 0-9 4 4 8 Mes 01-12 0-1 0-9 1 4 5 Día 01-31 0-3 0-9 2 4 6 Hora 00-23 0-2 0-9 2 4 6 Minuto 00-59 0-5 0-9 3 4 7 Total 12 20 32

Tabla 3. Formato de datos para el DS1307

Señal Recibida

AmplificaciónETAPA I Filtro Amplificación

ETAPA II Señal Acondicionada


36

4.2.2.2.1.7 Bloque Memoria

Este módulo se encarga de hacer el almacenamiento de datos, por un intervalo de tiempo de

máximo 1 mes en una memoria externa. Para saber el tamaño de la memoria, primero se

debía saber la cantidad de datos por medición, por lo cual se hizo el siguiente análisis:

Dato Cantidad Bits Tiempo NS 16 Tiempo SN 16 Tiempo OE 16 Tiempo EO 16 Temperatura 8

Presión 8 RTC 32

Total 112 Tabla 4. Datos almacenados por medición

En la tabla 4 se puede ver que los datos de Velocidad (Tiempo NS, SN, OE, EO) son de 16

bits, esto se explicará en el Bloque de Control. Para determinar el tamaño de la memoria se

hizo el siguiente cálculo:

mesbits438840

Hr1Min60x

Dia1Hr24x

Mes1Dias30x

Min10bits112 =

Este valor se acerca a una memoria comercial de 512 kbits, pero sería preciso

sobredimensionar el tamaño en caso que el usuario no descargue la memoria exactamente al

mes, es por esto que se escoge la memoria inmediatamente siguiente en tamaño que es de

1024 kbits, lo que arroja el siguiente cálculo:

Dias36Hr24

Dia1xMediciones6

Hr1xBits112

Medicion1xMemoria

Bits1024000 ≈

Este tamaño permite mantener una memoria durante aproximadamente 2 meses en

funcionamiento continuo, es decir, almacenando datos cada 10 min.


37

En el Proyecto anterior, se planteó usar la memoria flash M58LW032D [9] de

STMicroelectronics de 32MBits, la cual permitía almacenar datos durante 2 años, lo que era

demasiado tiempo para esta aplicación. Además, es una memoria de tipo paralelo de 56

pines que ocupa bastante espacio. Por esta razón, se tomó la decisión de utilizar una

memoria de tipo I2C (solo requiere 2 pines) de 1024 kBits que puede ser de tipo Flash o

EEPROM. Después de hacer un estudio detallado de las memorias de este tipo que se

consiguen comercialmente, se encontró que las más apropiadas eran las de las marcas

ATMEL y MICROCHIP, las cuales tienen características muy similares, son de tipo

EEPROM, funcionan en un rango entre 3V y 5V y tienen bajo consumo de potencia.

Finalmente, se decidió utilizar la memoria 24LC1025 de Microchip [19] debido a que su

velocidad de lectura y escritura es un poco mayor a la de ATMEL.

Para la descarga de la memoria, el diseño se hará de la siguiente forma: Cuando se enciende

el módulo remoto la memoria se inicializa (se borra), cada 10 minutos se guardará 1 dato y

cada vez que la memoria sea descargada será borrada.

4.2.2.2.1.8 Bloque de Control

Después de especificar los bloques y componentes que conforman el módulo Remoto, solo

falta seleccionar el dispositivo que se encargará de controlar el flujo de señales.

El controlador tiene las siguientes funciones:

• Dependiendo de la dirección de la velocidad a medir, hará la selección de la cápsula que

se activará para enviar la señal.


38

• Debido a que también hay muchos controladores que poseen ADC (conversores

Análogo/Digitales), este dispositivo también puede hacer la función del bloque

conversor.

• Puede hacer la función de Generación de la Señal de 40 kHz, ya que se debe activar una

señal en alto durante 12.5 µs y luego en bajo 12.5 µs.

• Realizará la función de conteo de tiempo por medio de un contador interno (Timer), ya

que la mayoría de Microcontroladores poseen por lo menos uno. Después de comenzar

a enviar la señal de 40 kHz, se activa el Timer y se cuentan los pulsos obteniendo el

tiempo de vuelo.

• Se debe seleccionar un dispositivo que maneje el protocolo de I2C para controlar el

flujo de datos desde y hacia la memoria y el RTC.

En el Proyecto anterior se utilizó el Microcontrolador PIC18F8620 de Microchip, el cual es

muy completo, pero posee demasiados pines (40 pines), lo que lo hace bastante grande para

la aplicación. Se decidió mantenerse dentro de la gama de Microchip, pero para seleccionar

el Microcontrolador más apropiado se debía saber el tipo y la cantidad de señales a

manejar:

Descripción Tipo de Señal Memoria y RTC I2C Conexión al computador USART Selección de Cápsulas 4 canales digitales Generación de Señal 1 canal digital Conversión A/D 2 canales análogos

Tabla 5. Señales Microcontrolador

Basándose en la Tabla 5 y después de hacer un estudio exhaustivo de los

Microcontroladores que se consiguen comercialmente, analizando costos y funcionalidad y


39

tamaño (ver Anexo C), se llegó a la conclusión de utilizar el PIC16F873 [7] que posee 28

pines y las funciones que se especificaron en la Tabla 5.

4.2.2.2.2 Módulo Base

Este módulo se encarga de interactuar con el usuario, interpretar sus órdenes y enviarlas al

Módulo Remoto. La Arquitectura que representa este módulo se presenta en la Figura 14.

Esta parte está compuesta básicamente por un módulo de Comunicaciones que se explicará

en la Sección 4.2.2.2.3 Bloque de Comunicaciones, un Controlador y un módulo de

Visualización.

El Bloque de comunicaciones se encarga de enviar las órdenes del usuario desde un

computador hacia el anemómetro. El bloque de Visualización es la interacción con el

Usuario, el cual es bastante llamativo y fácil de manejar para el usuario. Y por último, el

controlador maneja el flujo de datos desde el computador hacia el módulo de

Comunicaciones y viceversa.


40

Figura 14. Arquitectura Módulo Base

Como se dijo anteriormente, el controlador maneja el flujo de datos y también se encarga

de hacer el protocolo de seguridad, codificación de los datos provenientes del computador

que van hacia el anemómetro y decodificación de los datos que llegan al computador. Pero

este proceso se explica con detalle en la Sección de Comunicaciones.

4.2.2.2.2.1 Visualización

En esta parte se hace la interfaz gráfica con el usuario, la cual debe ser fácil de manejar.

Aquí se desarrolla un software en el cual se presentan varias opciones que el usuario puede

elegir y que son interpretadas como órdenes para el anemómetro. El programa se encarga

de interpretar estas órdenes para ser enviadas por el puerto serial o USB hacia el


41

controlador, el cual, las codifica y posteriormente las envía al Módulo de Comunicaciones.

Las órdenes que debe realizar el anemómetro son:

• Toma de Datos de Referencia: Esta orden la puede hacer el usuario las veces que

quiera, pero se debe tener en cuenta que la toma de los datos de referencia de debe

hacer en un ambiente bajo condiciones controladas, es decir, velocidad nula (0 m/s),

temperatura y presión ambiente.

Los datos de referencia se almacenarán en la memoria EEPROM del Microcontrolador,

debido a que estos datos no se tomarán cada vez que se haga una medición o cada vez

que se encienda el módulo remoto. Además, se aclara que la memoria externa se

inicializa cuando se descargan los datos.

• Descargar Memoria: Como se dijo con anterioridad, la memoria guardará datos cada 10

minutos y en caso de que la memoria esté vacía o llena el programa mostrará un aviso

notificando esta información.

Los datos almacenados en la memoria no serán mostrados en la pantalla del

computador, sino que serán guardados en un archivo de Excel para su posterior

tratamiento.

• Toma de Datos Simultáneamente: Si el usuario desea ver lo que está midiendo el

anemómetro en tiempo real, se tiene esta opción. Esta opción iniciara la Toma de Datos,

la cual envía la orden de hacer el muestreo de los sensores y enviarlos al PC, los que

serán visualizaos en la pantalla del computador, estos datos serán: Velocidad NS,

Velocidad OE, Dirección Neta de la Velocidad, Magnitud de la Velocidad, Temperatura

y Presión. Además, se tendrá un espacio para indicar el nivel de la batería. Así mismo,


42

los datos de la memoria y los datos visualizados son guardados en un archivo de Excel

para que el usuario los manipule.

• Borrar Memoria: Esta orden le dice al anemómetro que debe inicializar (borrar) la

memoria externa.

• Calibración: Existen dos tipos de calibraciones: NS (Norte-Sur) y OE (Oeste-Este).

Estas envían la orden al anemómetro de hacer un muestro de la dirección NS ó EO,

respectivamente, durante 2 segundos, esto, con el fin de que el usuario tenga la

posibilidad de ver si las señales enviadas y recibidas son correctas y en caso necesario,

hacer las modificaciones pertinentes. Estas modificaciones simplemente consisten en

variar un par de potenciómetros, los cuales determinan la ganancia de las etapas de

amplificación.

• Calibrar RTC: Aprovechando que el computador posee un reloj interno y esta hora se

puede leer, cuando el usuario lo estime conveniente, el programa lee la hora actual y la

envía al módulo remoto para que este a su vez la envíe al reloj (RTC) con el fin de

garantizar que los datos se tomarán en la hora correcta.

4.2.2.2.3 Bloque Comunicaciones

Este módulo es el encargado de hacer toda la parte de comunicación inalámbrica. Los

módulos de comunicación tanto para la base como para el remoto tienen las mismas

conexiones y su funcionamiento es exactamente igual.


43

Dentro de las características de este nuevo prototipo se encuentra que la comunicación

inalámbrica debe ser de un alcance mayor a 100m. Se realizó un estudio de algunos tipos de

comunicación inalámbrica y los resultados se presentan en la siguiente sección.

4.2.2.2.3.1 Alternativas de Comunicación Inalámbrica

Existen varias formas de hacer transmisión de datos inalámbricamente, pero no todas

presentan las mismas ventajas. Se desea seleccionar un tipo de comunicación de fácil

adquisición, que tenga un alcance de 100m como mínimo, permita una alimentación de 5V

ó 3V (para tener compatibilidad con los demás dispositivos) y tenga un bajo consumo de

potencia. Las alternativas analizadas se presentan en la Tabla 6.

Tipo Características Aplicación Infrarrojo Alcance: máx. 3m

Fácil montaje Seguridad: baja

Costo: muy bajo

Control remoto

RF Alcance: Hasta dos (2) kilómetros Facilidad en montaje: Depende de la

complejidad del dispositivo Seguridad en los datos depende del

medio donde se realice la transmisión A mayor alcance, mayor es el costo

Telemetría

Comunicación vía celular

Alcance: Cientos de kilómetros (ya que se tienen antenas repetidoras de la

señal) Facilidad en montaje: Complejo

Seguridad: Alta Costo: El más alto de estas opciones

Celulares

Tabla 6. Alternativas de comunicación inalámbrica

Con base en la Tabla 6, se descartó por completo la alternativa de transmisión de datos por

vía infrarrojo ya que el alcance es mínimo y no sirve para nuestra aplicación. Entonces,

quedan como posibles alternativas la comunicación por Radio Frecuencia y por vía celular.


44

En el ANEXO F se puede encontrar una tabla comparativa de algunas empresas que

suministran dispositivos de Radio Frecuencia con sus principales características. También

en este anexo se presentan dos empresas que prestan el servicio de transmisión por vía

celular en Colombia.

Como conclusión, se puede decir lo siguiente: La comunicación vía celular es la alternativa

perfecta, ya que tiene un alcance bastante amplio y la seguridad en la transmisión es

bastante buena, ya que estos equipos poseen sistemas de filtrado de señales para evitar

interferencia con otras señales. Pero su desventaja es el alto costo de los equipos y la

mensualidad que se debe pagar y la dependencia de una empresa para la comunicación.

Esto es un factor muy importante porque si se presenta una persona que desea utilizar este

dispositivo en otro país es posible que la empresa con la cual se hizo la comunicación no

preste el servicio, entonces el instrumento quedará incompleto y el usuario tendrá que

descartar la opción de usar este Anemómetro ó pensar e implementar otra forma de acceder

a los datos tomados.

Por último está por analizar la comunicación por radio frecuencia. Este tipo de

comunicación es muy común en los sistemas de transmisión inalámbrica y permite un

alcance relativamente amplio, permite utilizar el protocolo de seguridad que se desee para

la transmisión de los datos e igualmente, se puede hacer la transmisión a tasas bastante

altas, dependiendo de la calidad del dispositivo. Se hizo un estudio de las alternativas de

comunicación por radiofrecuencia (ver ANEXO F y se encontró que trabajan en general

bajo las frecuencias de 315 MHz, 418 MHz, 433 MHz, 916 MHz y 2400 MHz, entre otras,

pero estas son las permitidas por el Ministerio de Comunicaciones de Colombia. Con base

en el estudio realizado, se decidió seleccionar unos módulos de la empresa LINX que son

los últimos y mejores dispositivos que se fabrican actualmente. Como se desea una


45

comunicación bi-direccional, se tenía la opción se seleccionar un transreceptor (transmisor

– receptor en un solo dispositivo) o un transmisor y un receptor tanto en la base como el

remoto. Se había decidido seleccionar un transreceptor de esta marca, pero debido a que ya

no están disponibles en el mercado no fue posible adquirirlo, es por esto, que se

seleccionaron un par de transmisores y uno de receptores con el fin de hacer la transmisión

bidireccional. En el Módulo Base se implementará un receptor de 315 MHz y un

transmisor de 433 MHz y en el módulo remoto se implementará un transmisor de 315 MHz

y un receptor de 433 MHz, esto se hizo de esta manera con el fin de eliminar el efecto de

interferencia entre los dos dispositivos, ya que los anchos de banda de estos son de 10.7

MHz. Las referencias seleccionadas son: TXM 433, RMX 433, TXM 315, RMX 315. [23],

[24]

4.2.2.2.3.2 Protocolo de Comunicación

Los dispositivos seleccionados están diseñados con un ancho de banda muy pequeño, lo

que hace que la transmisión de datos tenga una probabilidad de un menor error, ya que el

nivel de interferencia se puede ver reducido.

Por lo mencionado anteriormente, se decidió solamente implementar un protocolo de

chequeo de error así como funcionan muchos sistemas de comunicación como lo es

MODBUS. Como todos los datos son múltiplos de 8 (ver Tabla 4), se decidió implementar

un CRC8 (Check Redundancy Cycle) el cual es un protocolo de comunicación para tramas

de 8 bits. Por cada trama de datos se debe calcular su correspondiente CRC como se explica

a continuación.


46

El CRC8 tiene el polinomio característico: X8+ X2 +X1+1 que se simboliza como 1 1110

0000 (0xE0) y lo que se debe hacer es una OR – Exclusiva consecutiva con este polinomio,

como se explica en el siguiente diagrama de flujo:

Figura 15. Diagrama de Flujo para el cálculo del CRC8

Ejemplo: DATO=0010 0111

CRC = 1111 1111

CRC = 0xFF XOR 0x27 = 1101 1000

Corrimiento 1: 0110 1100 ¬ 0

Corrimiento 2: 0011 0110 ¬ 0

CRC8=0xFF

CRC8=CRC8 XOR DATO

N=0

1 Corrimiento a la derecha

Bit 0=1?

CRC8=CRC8 XOR DATO

si no

N++

N>7? Enviar Mensaje si no


47

Corrimiento 3: 0001 1011 ¬ 0

Corrimiento 4: 0000 1101 ¬ 1

CRC = 0xE0 XOR 0x0D = 1110 1101

Corrimiento 5: 0000 0110 ¬ 1

CRC = 0xE0 XOR 0x06 = 1110 0110

Corrimiento 6: 0000 0011 ¬ 0

Corrimiento 7: 0000 0001 ¬ 1

CRC = 0xE0 XOR 0x01 = 1110 0001 = 0xE1

Mensaje total: 0x27E1

Los pasos que se describen en la Figura 14 se deben hacer cada vez que se desee enviar un

dato. Y para la recepción lo que se debe hacer es que por cada dato llegan dos bytes, el

primero es el dato y el segundo es su CRC, se debe calcular el CRC del dato recibido y

compararlo con el CRC recibido; si estos dos CRC (el recibido y el calculado) no

coinciden, se debe enviar una notificación anunciando la falla en la transmisión.

En conclusión, la comunicación se hace de la siguiente forma: Siempre la base va a

comunicarse con el remoto para enviar las órdenes. Entonces, cada vez que la base envíe un

dato con su respectivo CRC, ésta se quedará en un punto en el cual si se recibe un dato el

cual simboliza que el dato recibido por el remoto fue incorrecto (CRC no corresponde con

el verdadero), la base debe enviarlo nuevamente. Para el caso del remoto sucede lo mismo:

Pero si en el lugar donde se está haciendo la transmisión hay mucho ruido y/o interferencia

y la comunicación es muy pobre, tanto la base como el remoto tienen un número de

intentos máximo con el fin de que estos no se queden en un ciclo infinito, esperando el dato

correcto. Este número máximo de intentos es de 3 veces por transmisión.


48

Se debe aclarar que esta codificación y decodificación la hacen los respectivos

microcontroladores. También, tanto en el programa base como en el remoto, si la

comunicación no fue exitosa, el programa debe volver al inicio a reanudar sus tareas

iniciales.

4.2.2.2.4 Bloque Alimentación Eléctrica

Debe haber un Bloque de Alimentación tanto para el Módulo Base como para el Remoto.

Módulo Base: Debido a que este módulo va unido al computador y este requiere de un

adaptador, se puede utilizar la alimentación AC y un conversor de Corriente Alterna a

Corriente Continua.

Módulo Remoto: Como este módulo soportará condiciones ambientales, se sobreentiende

que no tiene una fuente de corriente cerca, por tanto se pensó en varias alternativas, las

cuales se detallan a continuación.

4.2.2.2.4.1 Requerimiento de Potencia

Para saber cuanta potencia requiere el Módulo Remoto, es necesario conocer la cantidad

que consumen los componentes que lo conforman y que fueron seleccionados previamente.

En la Tabla 7 se presenta este cálculo.

Dispositivo

Voltaje [V]

Corriente Min [mA]

Corriente Max [mA]

Potencia Max [mW]

Memoria EEPROM

5 0.0001 5 25

PIC 16F873 5 0.001 25 125 ADG511 ±5 2.5x10-8 1 x10-3 0.01


49

DS1307 5 5x10-5 1.5 7.5 LF353 ±5 1x10-7 6.5 65 LM35 5 0.056 114 x10-3 0.57 MPX5700 5 0.1 10 50 RXM 315 5 4 7 35 RXM 433 5 4 7 35 TXM 315 5 3 6 30 TXM 433 5 3 6 30 TOTAL 14.15 74 403.08

Tabla 7. Cálculo de Potencia Consumida Módulo Remoto

En la Tabla 7 se puede ver que el circuito requiere aproximadamente ½ Wattio. Además, es

necesario que el sistema de Potencia sea recargable y autónomo.

4.2.2.2.4.2 Alternativas de Alimentación Eléctrica

Teniendo en cuenta que este Proyecto trabajará con viento, se pensó en dos alternativas

básicamente: Un Aerogenerador y un Panel Solar. Se realizó un estudio sobre los dos y esto

fue lo que se obtuvo:

Ventajas Desventajas Aerogenerador - Compacto

- Eficiente - Robusto - Silencioso - Seguro - Fácil instalación - Robusto

- Mantenimiento periódico debido a la rodamientos

- Grande en Tamaño - En general, la garantía es por 2

años - Costoso - Potencia generada depende de

la intensidad del viento Panel Solar - Rápido y de fácil montar

- Reciclable - Diseño funcional - Duradero - Robusto - El mantenimiento no se hace muy

seguido - En general, la garantía es por 10 años

- Costoso - Potencia entregada depende de

la condición climática

Tabla 8. Comparación Panel Solar vs Aerogenerador


50

Después de analizar la tabla anterior se ve que la proporción entre ventajas y desventajas

para los dos productos es similar, pero la selección se inclinó por el Panel Solar debido a

que es de fácil adquisición, la garantía que ofrecen la mayoría de los distribuidores es por

10 años, no requiere de constante mantenimiento, es muy duradero, no posee partes

móviles, lo que lo hace más robusto, no contamina el medio ambiente, es reciclable debido

que algunos de las celdas se puede utilizar para otro panel y lo mejor es que su montaje es

muy sencillo (ver Anexo D). A continuación se hará la selección del Panel solar de acuerdo

a los requerimientos de Potencia.

4.2.2.2.4.2.1 Teoría sobre un Panel Solar

La producción de energía solar está basada en el fenómeno físico denominado “Efecto

Fotovoltaico”, que consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos

dispositivos semiconductores, denominados células fotovoltaicas. Estas células están

elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes en la Tierra y

componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos

como boro y fósforo, y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 amperios, a un

voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa. Las células se

montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte

de la radiación incidente se pierde por reflexión de las ondas luminosas y otra por

transmisión, ya que algunas ondas atraviesan las células. El resto es capaz de hacer saltar

electrones de una capa a la otra, creando una corriente proporcional a la radiación incidente.

Para aumentar la eficiencia de la célula se puede colocar una capa antirreflejo.


51

Los paneles fotovoltaicos están compuestos por células fotovoltaicas de silicio

monocristalino o policristalino. La diferencia entre una y otra radica en el procedimiento de

fabricación. Las células de silicio monocristalino se obtienen a partir de silicio muy puro,

que se refunde en un crisol junto con una pequeña proporción de boro. Una vez que el

material se encuentra en estado líquido se le introduce una varilla con un 'cristal germen' de

silicio, que se va haciendo recrecer con nuevos átomos procedentes del líquido, que quedan

ordenados siguiendo la estructura del cristal. De esta forma se obtiene un monocristal

dopado, que luego se corta en obleas de aproximadamente 3 décimas de milímetro de

grosor. Posteriormente, y antes de realizar la serigrafía para las interconexiones

superficiales, se recubren con un tratamiento antireflexivo de bióxido de titanio o zirconio.

Existen dos tipos de Células: Policristalinas y Monocristlinas. En las células policristalinas,

en lugar de partir de un monocristal, se deja solidificar lentamente sobre un molde la pasta

de silicio, con lo cual se obtiene un sólido formado por muchos pequeños cristales de

silicio, que pueden cortarse luego en finas obleas policristalinas (ver Figura 16).

Figura 16. Construcción de un Panel Fotovoltaico

El sistema fotovoltaico consta de los siguientes elementos (Ver Figura 17):


52

Un generador solar: Compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos que perciben la

radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensión.

Un acumulador: Almacena la energía producida por el generador y permite disponer de

corriente eléctrica fuera de las horas de luz ó en días nublados.

Un regulador de carga: Evita sobrecargas o descargas excesivas en el acumulador, lo que

produciría daños irreversibles. Además, asegura que el sistema trabaje siempre en el punto

de máxima eficiencia.

Inversor (opcional): Transforma la corriente continua almacenada en el acumulador, en

corriente alterna.

(a) (b) (c)

Figura 17. Componentes de un Panel: (a) Panel Solar. (b) Batería. (c) Inversor

Como quiera que el panel carece de partes móviles y que las células y los contactos van

encapsulados en una robusta resina sintética, se consigue una muy buena fiabilidad junto

con una larga vida útil, del orden de 30 años o más.

Los paneles van protegidos en su cara exterior con vidrio templado, que permite soportar

condiciones meteorológicas muy duras tales como el hielo, la abrasión, cambios bruscos de


53

temperatura o los impactos producidos por el granizo. Una prueba estándar para su

homologación consiste en lanzar una bola de hielo de dimensiones y consistencia

preestablecidas al centro del cristal esperando que éste no se quiebre.

Las instalaciones fotovoltaicas requieren un mantenimiento mínimo y sencillo que se

reduce a lo siguiente:

Paneles: Requieren un mantenimiento nulo o muy escaso, debido a su propia

configuración: no tienen partes móviles y las células y sus conexiones internas están

encapsuladas en varias capas de material protector. Es conveniente hacer una inspección

general 1 ó 2 veces al año, asegurándose que las conexiones entre los paneles y el regulador

están bien ajustadas y libres de corrosión. En la mayoría de los casos, la acción de la lluvia

elimina la necesidad de limpieza de los paneles; en caso de ser necesario, simplemente se

utiliza agua.

Regulador: La simplicidad del equipo de regulación reduce sustancialmente el

mantenimiento y hace que las averías sean muy escasas. Las operaciones que se pueden

realizar son las siguientes: Observación visual del estado y funcionamiento del regulador;

comprobación de las conexiones y cableado del equipo.

Acumulador: Es el elemento de la instalación que requiere una mayor atención; de su uso

correcto y buen mantenimiento dependerá en gran medida su duración. Se debe hacer un

seguimiento al nivel del electrolito cada seis meses aproximadamente.

Los paneles fotovoltaicos generan electricidad incluso en días nublados, aunque su

rendimiento disminuye. La producción de electricidad varía linealmente con la luz que


54

incide sobre el panel; un día totalmente nublado equivale aproximadamente a un 10% de la

intensidad total del sol y el rendimiento del panel disminuye proporcionalmente a este valor

(ver Figura 18 (a)). Fundamentalmente de la intensidad de la radiación luminosa y de la

temperatura de las células solares, depende la producción de corriente y el nivel de voltaje

(Ver Figura 18 (b)).

La intensidad de corriente que genera el panel aumenta con la radiación, permaneciendo el

voltaje aproximadamente constante. En este sentido tiene mucha importancia la colocación

de los paneles (su orientación e inclinación respecto a la horizontal), ya que los valores de

la radiación varían a lo largo del día en función de la inclinación del sol respecto al

horizonte.

El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al

mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto

global es que la potencia del panel disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del

mismo. Por ello es importante colocar los paneles en un lugar en el que estén bien aireados.

Figura 18. Características Lumínicas: (Izquierda) Luminosidad vs. Carga Batería.

(Derecha) Corriente vs. Voltaje


55

Batería: Para la selección de una Batería se deben tener en cuenta dos características

importantes: la capacidad en Amperios hora y la profundidad de la descarga.

Capacidad en Amperios hora: Los Amperios hora de una batería son simplemente el

número de Amperios que proporciona, multiplicado por el número de horas durante las que

circula esa corriente. Sirve para determinar en una instalación fotovoltaica, cuanto tiempo

puede funcionar el sistema sin radiación luminosa que recargue las baterías. Esta medida de

los días de autonomía es una de las partes importantes en el diseño de la instalación.

Ratios de carga y descarga: Si la batería es cargada o descargada a un ritmo diferente al

especificado, la capacidad disponible puede aumentar o disminuir. Generalmente, si la

batería se descarga a un ritmo más lento, su capacidad aumentará ligeramente. Si el ritmo es

más rápido, la capacidad se reducirá.

Temperatura: Otro factor que influye en la capacidad es la temperatura de la batería y la de

su ambiente. El comportamiento de una batería se cataloga a una temperatura de 27 grados.

Temperaturas más bajas reducen su capacidad significativamente. Temperaturas más altas

producen un ligero aumento de su capacidad, pero esto puede incrementar la pérdida de

agua y disminuir el número de ciclos de vida de la batería.

Profundidad de descarga: La profundidad de descarga es el porcentaje de la capacidad total

de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Las baterías de “ciclo poco

profundo” se diseñan para descargas del 10 al 25% de su capacidad total en cada ciclo. La

mayoría de las baterías de ciclo profundo fabricadas para aplicaciones fotovoltaicas se

diseñan para descargas de hasta un 80% de su capacidad, sin dañarse.


56

La profundidad de la descarga, no obstante, afecta incluso a las baterías de ciclo profundo.

Cuanto mayor es la descarga, menor es el número de ciclos de carga que la batería puede

tener. [21]

4.2.2.2.4.2.2 Dimensionamiento y Selección de un Panel Solar

Para aprovechar toda la potencia del Panel Solar, este debe ir acompañado de otros

componentes, lo cuales se presentan en la Figura 19. En esta Figura se presentan dos casos,

en los cuales se desea obtener potencia AC y DC a partir del Panel Solar, pero para la

aplicación del Anemómetro, solo se utilizará la parte en donde se obtiene potencia DC.

Figura 19. Conformación de un Panel Solar

Al observar la Figura 19 en la parte de acondicionamiento DC, se puede ver claramente un

regulador de Carga y un acumulador (Batería), el cual toma la corriente entregada por el

panel y genera un voltaje constante a 6V, 9V, 12V ó 24V, dependiendo del tipo de

regulador.


57

• Requerimientos: - Potencia Máxima: 500mW - Horas de Funcionamiento por Día: 24

• Nivel Promedio de Insolación1 en Colombia por Día: 4kWH/m2 [20] • Voltaje Nominal: 12V • Eficiencia Batería Estándar: 80% • Eficiencia Regulador Estándar: 90% • Máxima descarga de la Batería: 20% • Cálculos:

- Consumo de Energía: Wh12h24x)W5.0( =

- Carga del Panel: Dia/Wh66.169.0x8.0

Wh12=

- Tamaño del Panel: Wp9.4)85.0(x)h4(

Wh66.16= 2

cm7xcm7Am0049.0m/W1000

Wp9.4 22 ==>=

- Dimensionamiento de la Batería: AH5)V12(x)2.0(

Wh12=

Con base en los cálculos anteriores, se resume que se requiere un Panel Solar de 7cm x 7

cm de área con células de Silicio Policristalinas, un regulador de 12 voltios, una batería a

este mismo voltaje con una carga de 5 Amperios-Hora.

Después de analizar en el mercado, se escogieron los siguientes componentes:

Componente Empresa Referencia Batería (Ver Anexo E)

Hobbies Guinea CHVS-26190

Regulador (Ver Anexo D

TorreSolar Shell ST5

Panel Solar (Ver Anexo C

Sundance Solar MPT6-150

Tabla 9. Componentes seleccionados para el Panel Solar

1 El nivel de insolación es la energía radiada por el Sol sobre la Tierra 2 Watt- pico se define como la potencia de salida, en Wattios, que produce un módulo Foto Voltaico en condiciones de máxima iluminación solar, con una radiación de aproximadamente 1 kW/m2


58

5 IMPLEMENTACION Y VALIDACION

En esta sección se pasa del diseño a la implementación física de los bloques especificados

con anterioridad. Se hará un descripción detallada tanto a nivel Hardware como a Software

de las partes que componen el Sistema del Anemómetro Ultrasónico.

El circuito completo se hizo en PCB, pero se implementó por módulos con el fin de que

estos fueran intercambiables en caso de que alguien más desee seguir con este proyecto.

Se tienen 5 módulos distribuidos de la siguiente forma:

Módulo 1: Microcontrolador, memoria y RTC

Módulo 2: Sensado. Aquí se encuentran los switches análogos y llegan las conexiones de

los sensores ultrasónicos, de presión y temperatura.

Módulo 3: Filtro y amplificación

Módulo 4: Comunicación Inalámbrica

5.1 Hardware

En esta sección se describe la implementación de los circuitos que hacen funcionar el

Anemómetro. La implementación de los circuitos se hizo modularizada, ya que de esta

forma es más fácil detectar y corregir un error, además, si se desea cambiar la manera de

sensar, solo es cambiar el impreso donde se hace el sensado y no todo el impreso del

proyecto, lo mismo sucede en la parte del filtro, si alguien desea continuar este proyecto y

desea cambiar el filtro, solo debe cambiar ese impreso.


59

5.1.1 Módulo de Selección

Como se dijo en la sección 4, este módulo se encarga de seleccionar la cápsula que va a enviar la señal. Está compuesto por switches análogos ADG511, que se presentan en la Figura 20. Pero el control de los bits de las cápsulas se hace en software por medio del Microcontrolador.

Figura 20. Esquemático Módulo de Selección

5.1.2 Módulo de Conversión A/D

Aunque la conversión Análogo/Digital la hace el Microcontrolador internamente, al sensor

de Temperatura se le debe hacer una etapa de pre-amplificación, ya que la señal generada

es muy baja (en el orden de los mV), esta etapa se hace con amplificadores LF 353 en una

configuración no inversora de ganancia 10 que se muestra en la Figura 21.


60

Figura 21. Arriba: Esquemático Sensor de Temperatura

5.1.3 Módulo de Acondicionamiento de la Señal

Este módulo como ya se dijo se encarga de amplificar y filtrar la señal proveniente de la

cápsula receptora. Esta señal debe ser amplificada debido a que la señal generada por los

sensores ultrasónicos es demasiado baja. La configuración realizada se presenta en la

Figura 22.


61

Figura 22. Arriba: Esquemático Módulo de Acondicionamiento

Abajo: S imulación del módulo del filtro

En la Figura que muestra la simulación del filtro, se ve que este desfasa la señal por 1us,

esto se toma en cuenta en el momento de la calibración para corregir este desafse en el

cálculo del tiempo de vuelo.

5.1.4 Módulo de RTC

El RTC es programado por el microcontrolador, pero necesita una configuración especial, ya que requiere de un cristal para llevar el conteo del tiempo y de una batería externa de 3V, en caso de que la alimentación eléctrica no se encuentre (ver Figura 23).

Figura 23. Izquierda: Esquemático RTC. Derecha: Diagrama de Tiempos [10]


62

5.1.5 Módulo de Almacenamiento

Al igual que el RTC, la memoria se programa serialmente por medo del protocolo I2C. Los

pines SDATA y SCLK son comunes para los dos dispositivos y van a los pines

correspondientes del Microcontrolador. Lo que hace que se diferencien es el número de

identificación de cada dispositivo que se explica en las secciones 5.2.4 y 5.2.5 para el RTC

y memoria, respectivamente. En la Figura 24 se presenta la conexión de la memoria.

Figura 24. Izquierda: Esquemático memoria. Derecha: Diagrama de Tiempos [19]

5.1.6 Módulo de Comunicaciones

Este módulo es común para la Base y el Remoto, es decir, el circuito impreso es el mismo,

ya que el tipo de comunicación es el mismo y ambas partes utilizan un Microcontrolador.

Su esquemático se presenta en la Figura 25.


63

Figura 25. Esquemático Comunicaciones: (Izquierda). Base (Derecha) Remoto

En la Figura 25 se aprecian dos esquemáticos, la configuración es la misma, lo que cambia

son los módulo de recepción y transmisión. Para la Base, se tiene un Transmisor de

433MHz y un receptor de 315MHz y para el Remoto el Transmisor es de 315MHz y el

Receptor es de 433 MHz. Se recuerda que esto se hizo así para tener transmisión

inalámbrica Bi-direccional.

Para hacer este impreso se tuvieron en cuenta las características detalladas seguidamente:

- El voltaje de alimentación debe ser limpio, es decir, no debe tener ruido, ya que esto

afecta las señales tanto de recepción como de transmisión. Es por esto, que se


64

implementó un pequeño filtro RC a la entrada de la alimentación, para que suprimiera

los picos de voltaje y no atenuara el valor del mismo.

- Es necesario tener un plano de tierra el respaldo del impreso para evitar impedancias

parásitas que pueden modificar los datos.

- Los caminos que unen los componentes deben ser de un ancho considerable debido a la

alta frecuencia de operación (en el orden de los MHz) y para evitar la filtración de

impedancias.

- Los caminos entre las antenas y los integrados debían ser bastante anchos y de longitud

menor a 0.25 in para un correcto funcionamiento.

- A pesar que los dos dispositivos funcionan a frecuencias distintas, no es recomendable

dejarlos muy cerca para evitar interferencia.

5.1.7 Módulo de Alimentación Eléctrica

Como se explicó en la parte de diseño, se llegó a la conclusión que un Panel Solar es la

mejor alternativa de alimentación eléctrica para el Módulo Remoto, pero para la

implementación se emulará el Panel por medio de una batería de Plomo-Silicio, que como

se dijo en aquella sección, son las mejores para los paneles solares. Se implementó una

batería de 12V a 7AH que fue la dimensionada junto con el panel. Como todos los

dispositivos funcionan a 5V, fue necesario implementar una etapa de regulación por medio

de un regulador comercial de 5 V con referencia 7805, pero los que tienen capacidad de

entregar hasta 500mA de corriente, ya que se explicó que el circuito requiere cerca de

100mA.


65

Cuando se implementa una batería se debe tener un sistema de Back-up en caso que la

batería principal se descargue. Este sistema se presenta en la Figura 26. Consiste

básicamente en dos diodos en serie, de tal forma que cuando la alimentación primaria falle,

la batería pasaría a ser fuente de alimentación y este switcheo se debe al voltaje de de

conmutación de los diodos (~0.7V).

Para el módulo Base, se implementó un regulador de 5V, pero la alimentación se puede

hacer también con un Conversor AC/DC de 12V ó 9V.

Figura 26. S istema de Back- Up

5.2 Software

En esta parte del proyecto se especificará todo lo que se hizo con respecto a la

programación de todos los dispositivos.

5.2.1 Módulo de Generación de Señal

La función de este módulo la realiza el microcontrolador por medio de un bit. Este bit se

pone en “1” (5V) durante 12.5 µs y luego en “0” durante 12.5 µs más (40 kHz : 1/25 µs),

estos tiempos se pueden medir mediante un Timer que posee el microcontrolador


66

internamente. Además, para lograr estos intervalos de tiempo tan pequeños, se decidió

utilizar un cristal de 20MHz para el microcontrolador, que da un tiempo de máquina de 200

ns (tciclo = 4/fosc).

5.2.2 Módulo de Conteo de Tiempo

Esta función también es realizada por el Microcontrolador y su labor es contar el tiempo

que se tardó la señal receptora en recibir 20 pulsos, después de haber mandado la señal de

40 kHz por 100 ms. Este procedimiento se hace para todas las direcciones (NS, SN, OE,

EO).

5.2.3 Módulo de Control

La función de este módulo al igual que los dos anteriores, la desempeña el

microcontrolador. Dependiendo de la velocidad en la cual se va a tomar el tiempo de vuelo,

genera 4 bits que determinan la cápsula que se va activar como se presenta en la Tabla 10.

Estos 4 bits van a los switches análogos que multiplexan la señal.

Bits de Control Dirección 1000 NS 0100 SN 0010 OE 0001 EO

Tabla 10. Bits de control de las cápsulas


67

5.2.4 Módulo de RTC

Se programa a través de los pines SDATA y SCLK, La señal El SCLK es el reloj del RTC,

funciona a una frecuencia de 400 kHz y esa es la tasa a la que lee y escribe los datos. Por el

pin SDATA, se leen y escriben los datos del RTC y dentro del módulo cada variable de

tiempo (segundo, minuto, hora, día, mes, año) posee una dirección específica que es

programada por el Microcontrolador. Cuando se envía un dato hacia el RTC, el

Microcontrolador debe esperar un Acknowledgement confirmando que recibió el dato

correctamente.

Como hay muchos dispositivos que funcionan con el protocolo I2C, cada uno de estos tiene

un número de reconocimiento. Siempre que se va a hablar con el RTC se debe enviar el

número 1101000, para que este identifique que es con él con quien se desea hablar.

5.2.5 Módulo de Almacenamiento

Similar al RTC, es el comportamiento de las memorias seriales. Estas también poseen un

número de reconocimiento, que en el caso de la memoria 24LC105 es 1010XXX, donde los

tres últimos bits dan el número de la memoria que se va a trabajar, esto se debe a que las

memorias seriales puede conectarse en cascada para formar una memoria de mayor tamaño

y es por esto que tienen un número asociado. En este caso, como solo se está utilizando una

memoria, estos bits serán 000. Esta memoria también está trabajando a una velocidad de

400 kHz al igual que el RTC y el protocolo es manejado por el módulo I2C del

Microcontrolador. Para leer o escribir en la memoria primero se debe enviar la dirección de

la posición en la que se va a trabajar (leer o escribir), esta memoria posee dos bytes que


68

conforman las direcciones, entonces, primero se envía la parte alta de la dirección, luego

parte baja y posteriormente el dato de 8 bits (ver Figura 27).

Figura 27. Direccionamiento de la Memoria [19]

La organización en la memoria de los datos medidos por el anemómetro se hizo de la

siguiente manera:

Dato Pos. EEPROM Parte Alta Tiempo NS 0x00 Parte Baja Tiempo NS 0x01 Parte Alta Tiempo SN 0x02 Parte Baja Tiempo SN 0x03 Parte Alta Tiempo OE 0x04 Parte Baja Tiempo OE 0x05 Parte Alta Tiempo EO 0x06 Parte Baja Tiempo EO 0x07 Temperatura 0x08 Presión 0x09 RTC-Min 0x0A RTC-Hora 0x0B RTC-Dia 0x0C RTC-Mes 0x0D RTC-Año 0x0E

Tabla 11. Organización de Datos en Memoria Externa

5.2.6 Módulo de Visualización

Este módulo es la interacción que hay entre el usuario y el anemómetro. Este programa se

realizó en Visual Basic 6.0 (ver Figura 28) y el usuario tiene la opción de seleccionar las

siguientes órdenes:


69

• Iniciar Anemómetro: Esta operación se hace una sola vez, cuando el anemómetro el

puesto a funcionar por primera vez. Al oprimir esta opción el usuario debe esperar a que

aparezca en el recuadro de “Estado del Programa” la frase: “Anemómetro inicializado”

• Descargar Memoria: El usuario tiene la opción de descargar los datos que hay en la

memoria las veces que desee, pero estos no serán mostrados en pantalla y quedarán

guardados en un archivo de Excel, que será sobre-escrito cada vez que se descargue la

memoria. En caso de que la memoria esté llena, el programa muestra un aviso en la

pantalla notificando esta información (Ver Figura 29). Mientras la memoria está siendo

descargada en el cuadro de “Estado del Programa” saldrá un aviso que dice:

“Descargando memoria” y ningún otro comando puede ejecutarse hasta que se termine

esta operación (Ver Figura 30).

Figura 28. Interfaz Gráfica de Visual Basic


70

Figura 29. Aviso de Notificación memoria llena

Figura 30. Datos Descargados de la memoria

• Borrar Memoria: Esta orden le dice al anemómetro que debe borrar la memoria

EEPROM y se puede ejecutar cada vez que se desee. Esta operación toma a lo sumo 1s.

y en el cuadro de “Estado del programa” aparece un aviso diciendo: “Memoria

borrada”.

• Calibración Norte-Sur / Calibración Este-Oeste: Esta opción envía la orden al

anemómetro de hacer un muestreo durante 3 segundos de la dirección NS / EO, para

que el usuario pueda ver si la señal enviada y la señal recibida son correctas. Estos datos

muestreados no se desplegarán en pantalla, sino que el usuario tendrá que verlos en el

módulo remoto. Esta operación es recomendable que la realice una persona de

mantenimiento y no el usuario directamente, ya que es posible que se deban variar

algunos potenciómetros.


71

• Datos de Referencia: La toma de datos de referencia se debe hacer en un ambiente bajo

condiciones controladas, se almacenarán en la memoria EEPROM del Microcontrolador

del módulo remoto y no serán visibles para el usuario, ya que estos datos son tiempos

de vuelo que se requieren para el cálculo de la velocidad total del viento.

• Inicio Toma de Datos: Por medio de esta opción el usuario tiene la posibilidad de ver en

pantalla los datos que está midiendo el anemómetro, estos datos serán desplegados en

las casillas: Velocidad Norte-Sur en m/s, Velocidad Este-Oeste en m/s, Magnitud de la

Velocidad en m/s ( 22 OENSMAG += ), Dirección de la Velocidad en °

( ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= −

NSOETanDIR 1 ), Temperatura en °C y Presión en kPa. Los datos se muestrearán de

acuerdo al intervalo seleccionado por el usuario en el botón Muestreo, existen las

opciones de 1s, 10s y 1 min.

• Fin Toma de Datos: Mientras el Anemómetro está realizando el muestreo, el usuario

puede seleccionar esta opción para finalizar la toma de datos. Esta opción envía una

orden al anemómetro para que deje de enviar los datos que está midiendo. Los datos

que fueron mostrados en la pantalla se guardan en un archivo de Excel que será

sobrescrito cada vez que el usuario de Inicio de Toma de Datos (Ver Figura 31).

Figura 31. Datos tomados S imultáneamente


72

• Calibrar Reloj: Cuando el usuario presiona esta orden, el programa toma la hora del

computador y la enviar al módulo remoto para que este actualice el RTC. Los datos que

se envían son año, mes, día, hora y minuto.

• Ver Reporte en Excel: Con esta opción se abre un archivo de Excel llamado

DatosAnem.xls, donde la Hoja 1 muestra los datos tomados simultáneamente y la Hoja

2 muestra los datos guardados por la memoria.

• Abrir Puerto: La comunicación con el computador puede ser por puerto serial o USB

(por medio de un conversor Serial-USB) y el usuario tiene la opción de escoger por el

número del puerto por el que va a hacer la comunicación. Las opciones son: COM1,

COM2 y COM3.

• Cerrar Puerto: Si se oprime esta opción, se cerrará la comunicación con el anemómetro.

Es recomendable que el puerto se abra después de haber encendido el módulo base.

El cálculo de la velocidad en cada una de las direcciones se hace de la siguiente manera:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−−

−=

NSRSNNSRNS TT1

TT1*

2DVelNS , donde TR es el dato de referencia en esa dirección y

D es la distancia entre sensores.

5.2.7 Módulo de Comunicaciones

La implementación de este módulo se explicó en la sección 5.1. Todo el protocolo de

comunicación se hizo internamente en los Microcontroladores, tanto de la Base como del

Módulo Remoto, siguiendo los pasos que se presentaron en el diagrama de flujo de la

Figura 14.


73

A cada orden recibida se le hace el protocolo de chequeo y si el dato llegó mal, se pide

volver a enviarlo hasta que llegue correctamente, esto se hace tanto en la base como en el

remoto. Lo mismo sucede con los datos de salida, cada dato tiene asociado un CRC de 8

bits con el cual el receptor puede confirmar que el dato es correcto y en caso de no serlo,

puede volver a pedirlo.

Las órdenes explicadas en la sección anterior tienen asociadas un dato y esta codificación

se presenta en la Tabla 12.

Orden Descripción A Toma Datos de Referencia B Inicio Toma Datos C Fin Toma Datos D Borrar Memoria E Inicializar Anemómetro F Descargar Memoria G Calibración NS H Calibración OE I Calibrar RTC

Tabla 12. Codificación órdenes

Módulo Base:


74

MóduloRemoto:

INICIO

Llego dato por PC? no

si

Codificar dato

Deshabilitar Receptor

Habilitar Transmisor

Habilitar Receptor

Decodificar Trama

Llegó dato por RF?

si

no

Enviar orden

Enviar al PC

Habilita receptor RF

Se espera dato? si

no


75

INICIO

Se había iniciado el anemómetro anteriormente?

si

no

Espera orden de inicio

Borrar Memoria externa

Recibe fecha actual

Generación de frecuencia de 40kHz

Envía frecuencia a cápsula i

Toma tiempo cápsula i

i=1

Guarda dato i

i++

i=4 no

si

Promediar datos tomados

Guarda dato i en EEPROM del PIC

Llegó dato por RF?

Decodifica dato

si

no

Han pasado 10 min?

Guardar datos en memoria externa

Leer RTC

Han pasado 2 seg?

si

no

sino

Dato = “A”?

Toma datos de referencia A

Dato = “B”?

si

no

Toma datos simultáneamente

Dato = “D”?

Borrar memoria externa

B

D

Dato = “F”?

Descargar memoria F

Dato = “G”?

Calibración NS G

Dato = “H”?

Calibración OE H

Dato = “I”?

Calibrar RTC I

Calibrar RTC I

D

Toma dato análogo de Presión

Toma dato análogo de Temperatura

no

no

no

no

no

no

si

si

si

si

si

si


76

5.3 Costos del Material

Costos de los componentes electrónicos:

Componente Descripción Cantidad Precio [$] 24LC1025 Memoria Serial 1 10.000 PIC 16F873A Microcontrolador 2 20.000 ADG511 Switch Análogo 2 6.500 DS1307 RTC 1 8.000 LF353 Amplificador Operacional 5 7.500 LM35 Sensor de Temperatura 1 2.000 MPX5700 Sensor de Presión 1 27.000 RXM-315 Receptor RF a 315MHz 1 40.000 RXM-433 Receptor RF a 433MHz 1 40.000 TXM-315 Transmisor RF a 315MHz 1 20.000 TXM-433 Transmisor RF a 433MHz 1 20.000 ANT-433 Antena a 433 MHz 2 15.000 ANT-315 Antena a 315 MHz 2 15.000 TOTAL 233.000

Costos Estructura Física:

Parte Cantidad Costo [$] Base Brazos 1 38,000 Brazos 4 20,000 Soporte Cápsulas 1 7,000 Tubo Soporte 1 6,000 Base 1 15,000 Doblado Tubos 24,000 Maquinado Gral 25 hrs 2,000,000 Pulido de Partes 10,000 TOTAL $2,120,000.00


77

6 RESULTADOS OBTENIDOS

En esta sección se presentan los resultados obtenidos con el Prototipo Anterior y con el

Nuevo.

6.1 Calibración de Cápsulas Ultrasónicas

Para comparar el comportamiento de las cápsulas ultrasónicas que se usaron en el Proyecto

anterior y en este, fue necesario realizar un protocolo de calibración. Esta calibración

consiste en instalar el anemómetro en el túnel de viento, que se encuentra en el Laboratorio

de Mecánica de la Universidad de Los Andes, junto con un anemómetro calibrado para

comparar los datos y por medio de un ajuste de datos se hace la curva de calibración. La

calibración se hace a distintas velocidades que pueden ser controladas por medio del túnel

(Ver Figura 32).

Figura 32. Túnel de Viento [22]


78

Para hacer esta calibración se puede implementar un Anemómetro de Cazoletas o un tubo

de Pitot (Ver Figura 33). El Anemómetro de Cazoletas está formado por 3 cazoletas

ubicadas alrededor de un eje, los cuales giran cuando llega una ráfaga de viento y la

velocidad de rotación de las cazoletas es proporcional a la velocidad del viento y el Tubo de

Pitot mide la diferencia de presión debida a la velocidad del viento y este valor es

equivalente a la velocidad del viento con la siguiente ecuación:

]OHin[P81.91000100

54,2]K[Temp

293]mBar[esionPr

1000291,1 2∆⋅⋅ .

Figura 33. Izquierda: Tubo de Pitot. Derecha: Anemómetro de Cazoletas

La Instalación del Anemómetro dentro del Túnel de Viento se presentan el la Figura 34.

Los datos de calibración se presentan en las Figuras 35 y 36.

Figura 34. Instalación en el Túnel de Viento


79

Calibración Tubo de Pitot Vs Anemómetro UltrasónicoP = 72 kPa T = 20.6 ºC

y = 0,7713x - 7E-05R2 = 0, 9992

y = 1,1097x + 0,3919R 2 = 0, 9892

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

18,000

0,00 2, 00 4, 00 6, 00 8, 00 10,00 12,00 14,00 16,00Vel. Pitot [m/s]

Vel.

Ultr

asón

ico

[m/s

]

Ultr ason icoCa zoleta sL in eal ( Ultra sonico )L in eal ( Cazo le tas)

Figura 35. Calibración Prototipo Anterior

Calibración Tubo de Pitot Vs Anemómetro UltrasónicoPresion = 73 kPa

Temperatura = 19.8 ºC

y = 0,7642x + 0,1274R 2 = 0, 9995

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

18,000

0,00 2, 00 4,00 6, 00 8,00 10,00 12,00 14, 00 16,00Vel . Pi tot [m/s]

Vel.

Ultra

sóni

co [m

/s]

Ultr aso nicoL inea l (Ultr aso nico)

Figura 36. Calibración Prototipo Actual

Al observar las anteriores gráficas se puede ver que el nuevo anemómetro tiene un

porcentaje de error un poco menor al del anemómetro anterior, lo que lo hace más preciso.

También se ve en la calibración que este tipo de anemómetro tiene datos más cercanos al

Tubo de Pitot y es debido a que tanto el tubo de Pitot, como el Anemómetro Ultrasónico no

tienen partes móviles ni grandes, lo que hace que no se produzca interferencia con la línea

de viento. La calibración del nuevo anemómetro se hizo solamente con el tubo de Pitot,


80

porque con el anterior anemómetro se concluyó que los datos eran más precisos con este

instrumento.

6.2 Pruebas realizadas en el Túnel de Viento

Se hicieron pruebas con los dos anemómetros, con el fin de observar el ángulo de

incidencia y cómo la estructura influía en esta lectura. Después de tomar los datos a

distintos ángulos, se hace un mapa de velocidades como se muestra en la siguiente figura.

Figura 37. Mapa de Velocidades

6.2.1 Prototipo Anterior

Se hicieron tomas a distintos ángulos y los resultados se presentan en la Figura 38.

N

S

E O

NE

SE SO

NO


81

Mapa de Velocidades (2.2- 2.6 m/s )

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Velocid ad Oeste-Este (m/s)

Vel

oci

dad

Nor

te-S

ur

(m/s

)

Mapa de Velocidade s (5,2 - 5,5 m/s)

-7-6-5-4-3-2-101234567

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

Velocid ad Oeste-Este (m/s)

Vel

oci

dad

No

rte-

Sur

(m

/s)

Mapa de Velocidades (8.4 - 8.9 m/s)

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Ve lo cidad Oe ste-Este (m/s)

Vel

ocid

ad N

orte

-Su

r (m

/s)

Ma pa de Velocida des (11,4 - 11 ,9 m/s)

-14-12-10

-8-6-4-202468

101214

-14

-12

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

Velocidad Oe ste-Este (m/s)

Vel

ocid

ad N

ort

e-S

ur (

m/s

)

Figura 38. Mapa de Velocidades Proyecto 2004-II. Tomado de [4]

6.2.2 Prototipo Actual

Los datos que se presentarán a continuación fueron tomados en el túnel de viento a una

temperatura de 19°C y una presión de 73kPa.


82

Mapa de Velocidades (2 m/s-3 m/s)

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3 -2 -1 0 1 2 3

Oeste - Este [m/s]

Norte

- Su

r [m

/s]


-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-6 - 5 - 4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

Oe ste - Este [m /s]

Nor

te -

Sur

[m/s

]


-9

-7

-5

-3

-1

1

3

5

7

9

-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9

Oe ste - Este [m/s]

Nor

te -

Su

r [m

/s]


-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

Oe ste - Este [m/s]

No

rte

- S

ur [

m/s

]

Figura 39. Mapa de Velocidades Prototipo 2005-II

6.3 Pruebas realizadas al aire libre

Las pruebas al aire libre consisten en dejar el anemómetro a la intemperie por un tiempo y

hacer mediciones periódicamente. Se hicieron pruebas durante tres semanas

aproximadamente con el Anemómetro Anterior en la Universidad y durante dos semanas

con el nuevo prototipo ubicado en el techo de una casa, se obtuvieron los resultados que se

presentan a continuación.

Como se aprecia en la Figura 33, el tubo de Pitot no requiere de ningún tipo de calibración

para la corroboración de sus datos. Mientras que el anemómetro de cazoletas posee un


83

circuito que interpreta la velocidad de rotación en velocidad del viento, pero este no tiene

alguna salida digital o análoga, con la cual se pueda enviar a un computador por algún

medio, pues solamente posee un display con los datos medidos, es por esto que se requería

de una señal para hacer la toma de datos en paralelo entre el anemómetro ultrasónico y el de

cazoletas. Para lograr este fin, fue necesario tomar la señal que va del anemómetro de

cazoletas hacia el circuito - que es básicamente el voltaje que genera un motor al ser girado

- y se envió a una tarjeta de adquisición de datos de marca LabJack proporcionada por el

Laboratorio de Ingeniería Mecánica, con la cual se podían adquirir los datos por medio del

software LJStream que los almacena en un archivo de Excel. Con estos datos también se

hizo una curva de calibración para ver la equivalencia entre la velocidad del viento y el

voltaje generado por el instrumento, la cual se presenta a continuación (Ver Figura 40).

Datos Anemómetro de cazoletas

y = 0,375x + 0,6673R2 = 0, 9817

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

Veloci dad [mph]

Rang

o de

Vol

taje

[V] 10H z-6mph

15H z-12mph20H z-17mph25H z-22mph30H z-27mphSerie6Lineal (Serie6)

Figura 40. Calibración Anemómetro de Cazoletas


84

6.3.1 Prototipo Anterior

En la Figura 41 se muestra la instalación realizada en el techo del segundo piso del Edificio

de Ingeniería de la Universidad, en esta se montan el anemómetro de cazoletas y el

anemómetro del prototipo anterior y se dejan por 3 semanas. Se analizan los datos y se ve si

las cápsulas perdieron sensibilidad después de este periodo (Figura 42: Datos Obtenidos)

Figura 41. Instalación Anemómetro Proyecto realizado en 2004-II

Prueba Intemperie Sep - 12 - 2005

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

0 500 1000 1500 2000 2500

Tiempo [s]

Velo

cida

d [m

/s]

Ultra sonidoCazolet as Tom a1_0Cazolet as Tom a 1_1Cazolet as Tom a2_0Cazolet as Tom a2_1


85

Toma I ntemperie Sep-9 - 8:54 AM

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

- 50 50 150 250 350 450 550 650S eg [s]

Velo

cida

d [

m/s

]

Ultr asonidoCazoletas

Prueba Intemperie 8-Sept-2005

-5,00

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0 500 1000 1500 2000 2500

Tiempo [s]

Velo

cida

d [m

/s]

Ultrason id oCazoletas_ Tom a1_0Cazolteas_ Tom a2_0Cazoletas_ Tom a1_1Cazoletas_ Tom a1_2Cazolteas_ Tom a2_1

Figura 42. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2004-II

Al analizar las gráficas de las pruebas de intemperie se pueden ver claramente unos picos,

esto se debe a la vibración de los brazos porque la estructura no es completamente rígida.

Además, al circuito de acople de este anemómetro era necesario implementarle un filtro

para que no permitiera el paso de otras frecuencias.

6.3.2 Prototipo Actual

Como el tiempo no fue suficiente para realizar las pruebas dentro de la Universidad, estas

debieron hacerse en otro lugar, el nuevo anemómetro fue instalado en el techo de una casa a


86

más o menos 3 m de altura del nivel del piso (ver Figura 43) y los datos obtenidos se

presentan en la Figura 44.

Figura 43. Instalación prototipo 2005-II

Prueba Intemperie 25/Dic/05

4

5

6

7

8

9

10

11

12

-100 100 300 500 700 900Tiempo [s]

Velo

cida

d [m

/s]


87

Prueba Intemperie 10/Ene/05

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-100 100 300 500 700 900Tiempo [s]

Velo

cida

d [m

/s]

Figura 44. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2005-II

En las gráficas anteriores se puede ver que se han eliminado los picos que presentaba el

anterior prototipo y esto es gracias al filtro y las etapas de amplificación implementados.

También, a la estructura de las nuevas cápsulas ultrasónicas que es más rígida.

6.4 Consumo de Potencia

Según el cálculo teórico del consumo de potencia presentado en la Tabla 7, se requiere un

máximo de 500mW aproximadamente, para corroborar estos datos se hizo un seguimiento

del consumo de corriente del circuito completo y se comparó con los valores teóricos

(calculado a partir de las hojas de datos de cada dispositivo). Esta comparación se presenta

en la Figura 45. En esta figura hace un seguimiento del consumo de corriente conectando

consecutivamente cada módulo. Como se explicó con anterioridad el circuito total está

implementado por módulo, de esta manera es más sencillo hacer la medición de la corriente

a medida que se añaden módulos al circuito.


88

Consumo de Corriente

01020304050607080

hastamódulo 1

hastamódulo 2

hastamódulo 3

hastamódulo 4

Cor

rien

te [m

A]

ExperimentalTeórica

Figura 45. Consumo de Corriente

Para la figura anterior se calculó un error y se obtuvo que el error es en promedio del 22.8%

entre los datos tomados experimentalmente y los datos hallados teóricamente. Como

observación se puede decir que los módulos de comunicación RF son los que consumen

mayor cantidad de corriente, y esto se debe a la potencia que requieren para la transmisión.

6.5 Transmisión de Datos

Se realizaron varias pruebas de transmisión de datos y se logró un alcance de 10 metros,

que es mucho menos de lo que dice la hoja de datos de los dispositivos. Esto puede deberse

por una parte a que el circuito genera autónomamente una frecuencia de 40kHz con

amplitud suficiente para afectar la recepción de los dispositivos.


89

6.6 Conclusiones

El hecho de implementar buenas etapas de amplificación y filtrado hace que mejore

notablemente el resultado de la velocidad, ya que las cápsulas no son tan sensibles a

cualquier tipo de señal.

Con respecto a la degradación de las cápsulas ultrasónicas, se puede decir que estas

cápsulas se mantendrán sin deteriorarse por mucho más tiempo frente a las anteriores,

gracias a su encapsulado.

A pesar que los nuevos sensores son de mayor tamaño, presentan buenos resultados en

cuanto a la medición de la velocidad.

7 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

Para concluir, es mi deseo dejar en claro que estoy muy satisfecha con este proyecto, ya que

se realizaron más tareas de las planteadas en los objetivos iniciales del proyecto.

Igualmente, se llegó a un dispositivo bastante completo que puede competir

comercialmente con otros anemómetros de esta clase.

Se logró el objetivo de mejorar la implementación tanto a nivel físico como a nivel

electrónico del anemómetro, acercándonos a pasos agigantados a un anemómetro

comercial.

La estructura del instrumento influye bastante en las mediciones, es por esto, que se diseñó

una estructura rígida, pero esbelta para que la línea de viento no se vea obstruida y los datos


90

tomados correspondan a los reales. También, por esta razón se decidió que aunque las

cápsulas eran grandes, la copa en la que van montadas tiene una figura en la que el cambio

de sección no es brusco y permite que el viento pase suavemente sin verse notoriamente

afectado.

Este es un instrumento bastante completo, ya que está diseñado para ser autónomo y

cumple con las especificaciones que poseen anemómetros comerciales. Además, tiene la

gran ventaja de no poseer partes móviles, lo que hace que la medición sea más precisa.

Lo que falta para este anemómetro es implementar una tercera dimensión, que le permita

cuantificar la dirección del viento vectorialmente en 3 direcciones y si se desea que el

anemómetro este a gran distancia de la base, podría implementarse otro tipo de

comunicación, pero esta depende en gran parte de la aplicación, del sitio donde se va a

instalar, de las condiciones ambientales y de la disponibilidad de los componentes para esta

comunicación.


91

8 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

[1] The Influence of the Sensor Design on Wind Measurements with Sonic Anemometer

Systems, A Weiser, fiedler, F Corsmeier, Journal of Atmospheric & Oceanic

Technology, October 2001

[2] Validación y perfeccionamiento de un prototipo de anemómetro ultrasónico, Christian

Moreno, Proyecto de Grado 2003-I

[3] Desarrollo de una herramienta inteligente para limpieza de ductos y tuberías, Juan

David Chávez, Ismael Meléndez, Proyecto de grado 2004-I

[4] Validación y perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico, Andrea Carolina

Córdoba, Proyecto de Grado 2004-II

[5] PIC18F8620 Data Sheet, Microchip Inc.

[6] Mplab C18 C Compiler User´s Guide, Microchip Inc.

[7] PIC16F87x Data Sheet, Microchip Inc.

[8] PICC User’s Guide, HI-TECH Software

[9] M58LW032D Data Sheet, STMicroelectronics

[10] DS1307 64 X 8 Serial Alarm Real-Time Clock, Maxim [11] MPLABIDE Users Manual, Microchip Inc. [12] MPLINK Users Manual, Microchip Inc. [13] Microsoft Visual Basic 6.0 ReferenceGuide, MSDN Library

[14] 40CA-18SC Data Sheet, Amerinan Piezo Electric Company

[15] LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors, National Semiconductors

[16] MPX5700 Series, Motorola

[17] ADG511 Data Sheet, Analog Devices

[18] LF353, Fairchild Semiconductor


92

[19] 24LC1025 Cmos Serial Eeprom, Mircochip

[20] Principios de Aire Acondicionado, DEPARTAMENTO DE INGENIERIA

MECANICA. Rafael Beltrán.

[21] http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar

[22] http://www.mecanica.uniandes.edu.co

[23] Circiutos Integrados Lineales y Amplificadores Operacionales, Prentice Hall. 2da

Edición.

[24] TXM 433 & TXM 315, LINX

[25] RXM 433 & RXM 315, LINX


93

ANEXO A. PLANOS MECANICOS

Isométrico Del Anemómetro


94

Soporte Base

Isométrico Brazos


95

ANEXO B. PLANOS ELECTRICOS

Módulo Base

Módulo Remoto


96

Módulo Comunicación Inalámbrica

Módulo Filtro


97

Módulo Sensores


98

ANEXO C. COMPARACION MICROCONTROLADORES

Familia PIC18 - Para dispositivos de 18 pines

Dispositivo # ADC Timer Memoria

Flash Costo [$US]

Características Importantes

PIC18C1220 7 (10 bits) 1 de 1-8 bits 4Kb 3.71 Nanowatt – Encapsulado Superficial IC2 USART 10 canales análogos

PIC18C1320 7 (10 bits) 1 de 1-8 bits 4Kb 4.15 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART 10 canales análogos



Flash Costo [$US]


PIC18C2220 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8Kb 4.45 Nanowatt – Encapsulado Superficial IC2 USART

PIC18C2320 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 3.15 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART

PIC18F2410 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 3.86 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART






PIC18F2525 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 4.94 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2


99

USART PIC18F2520 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.11 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado

Superficial IC2 USART










Flash Costo [$US]


PIC16F88 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 4kB 2.78 Nanowatt – Encapsulado Superficial 7 canales análogos



Flash Costo [$US]


PIC16F870 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 2kB 2.71 Encapsulado Superficial 5 canales análogos USART

PIC16F873A 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 4kB 3.16 Encapsulado Superficial 5 canales análogos IC2 USART

PIC16F876A 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 4kB 3.98 Encapsulado Superficial 5 canales análogos IC2


100

USART

ANEXO D. DISTRIBUIDORES PANELES SOLARES

Empresa Referencia Costo [$US]

Voltaje Características

Sundance Solar MPT6-150 26.5 6 V - Flexible - Potencia: 10W - Dimensiones: 26 cm x 23 cm x 0.5 cm - Peso: 0.45 kg - Garantía: 5 años

Energy Development Co-operative Limited US05 59 9V - Potencia: 5W - Dimensiones: 28.6 cm x 20.5 cm x 2.2 cm - Peso: 0.77 kg - Garantía: 10 años

Energy Development Co-operative Limited US11 59 9V - Potencia: 10W - Dimensiones: 49.1cm x 20.5 cm x 2.2 cm - Peso: 1.33 kg - Garantía: 10 años

Energy Development Co-operative Limited USF5 103 9V - Flexible - Potencia: 5W - Dimensiones: 54 cm x 24.6 cm x 0.5 cm - Peso: 0.54 kg - Garantía: 5 años

Energy Development Co-operative Limited USF11 175.5 9V - Flexible - Potencia: 10W - Dimensiones: 54 cm x 4.24 cm x 0.5 cm - Peso: 0.91 kg - Garantía: 5 años

Energy Development Co-operative Limited UNIPAC 10 513.5 9V - Portable - Potencia: 10W - Dimensiones: 25.4 cm x 13.9cm x 5.1 cm - Peso: 1.05 kg - Garantía: 5 años

Torre Solar ST10 150 9V - Potencia: 10W - Dimensiones: 38.7 cm x 32.8 cm x 3.5 cm - Peso: 2.4 kg - Garantía: 10 años

Select Solar PowerFilm 10W

208 10.5 - Potencia: 10W - Flexible - Dimensiones: 29.2cm x 97.2 cm - Peso: 0.46 kg - Garantía: 10 años

ANEXO E. DISTRIBUIDORES REGULADORES PARA PANELES SOLARES

Empresa Referencia Costo [$US] Voltaje Regulación

Características

Inelsa Controls BR1/12/6-RS 50 9 V Posee controlador de carga TorreSolar Shell ST5 45 9V Posee protección contra rayos, compensación de

Temperatura


101

Entrada solar de máximo 4.5 A Consumo: 6 mA

ANEXO F. DISTRIBUIDORES BATERIAS

Tipo de Batería Ventajas Desventajas Plomo-Acido - Batería más común para páneles solares

- Se pueden descargar hasta el 80% y permanecer en ese estado por largo tiempo

- Absorción de carga del 80% - Contiene mayor cantidad de electrolito, lo

que permite alargar los períodos de mantenimiento.

- Coeficiente de auto-descarga de 20% - Resiste 1200 ciclos de Carga/Desacarga

- Mayor precio que los demás tipos

Plomo-Acido tipo Arranque

- Para arrancar motores de gasolina o Diesel. - Menor costo que la anterior - Suministran gran cantidad de corriente en un

corto tiempo, manteniendo un voltaje alto. (Baja resistencia interna)

- No retienen la carga por mucho tiempo.

- Muy pesadas

Plomo-Acido tipo tracción

- Alto grado de descarga, debido a que sufren constantes pequeñas descargas por largos períodos de tiempo

- Se deben recargar durante 8-16 horas

- Bastante pesadas porque poseen electrodos muy gruesos

Plomo-Acido tipo Estacionaria

- Para fuentes de alimentación de emergencia, UPS, etc

- Son cargadas constantemente y se debe evitar que se sequen

Alcalina - Aportan un voltaje de 1.5V - Difícil acceso - Requieren cargador propio

Níquel-Cadmio - Aportan un voltaje de 1.2V - Económicas - Admiten descargas hasta del 90% de su

capacidad nominal - Bajo coeficiente de autodescarga (10%) - Alto rendimiento de absorción de carga

(80%)

- Cadmio: Metal tóxico para el medio ambiente

- Duran cargadas menos que las alcalinas

- Antes de recargarlas hay que haberlas gastado por completo (“Efecto memoria”). En caso contrario, su vida útil se va acortando

Níquel-Hidruro - No sufren efecto memoria - Más ligeras que las de Níquel-Cadmio - Vida media de 600-700 ciclos de recarga

- Bajo rendimiento de absorción de carga (40%)

Ión de Litio - Vida media de 500-600 ciclos de recarga - Rendimiento de absorción de carga : 80%

- Alto precio

Baterías comerciales de Plomo-Acido:


Voltaje Regulación

Características

RUBROS 2-9-3-00284-0075 46 6v - Capacidad: 200AH - Dimensiones: 26 cm x 18.1 cm x 28 cm


102

Hobbies Guinea CHVS-25191 22 6v - Capacidad: 5AH - Dimensiones: 10 cm x 8 cm x 10 cm

Hobbies Guinea

CHVS-26190 36 9v - Capacidad: 10AH - Dimensiones: 25 cm x 8 cm x 10 cm

Hobbies Guinea CHVS-25180 26 12v - Capacidad: 7AH - Dimensiones: 10 cm x 10 cm x 10 cm

Syscom E-3600 36 12v - Capacidad: 184AH - Peso: 30Kg

Syscom NC-24 32 12v - Capacidad: 75AH - Peso: 30Kg

Syscom NC-27 40 12v - Capacidad: 100AH - Peso: 30Kg

Syscom PV-27DC 80 12v - Capacidad: 86AH - Peso: 30Kg - Libre de mantenimiento

Syscom PV-30H 86 12v - Capacidad: 95AH - Peso: 30Kg - Libre de mantenimiento

Power Sonic 40 - 60 6v – 12v - Proporcionan hasta 100 ciclos carga/descarga - La más grande es de 16 cm x 8 cm x 17 cm - La más pequeña: 5 cm x 4 cm x 5 cm

ANEXO G. TIPOS DE COMUNICACIÓN INALAMBRICA

Trasmisor RF:


Frecuencia Alcance Voltaje Características

LAIPAC TECH

TLP434 4.8 418 MHz 434 MHz 315 MHz

50 ft 3 – 12V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK

LAIPAC TECH

TLP A/F 7 916 MHz 200 ft 3 – 12V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK

Microchip rfPIC12F675 3.26 850 Mhz 930 MHz

2.5V – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK/FSK 20 Pines

Microchip rfPIC12C509 3.26 310 Mhz 440 MHz

2.5V – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: Hasta 40 Kbps Modulación ASK/FSK 18 Pines

Receptor RF:


Frecuencia Alcance Voltaje Características

LAIPAC TECH

RLP434 4.8 418 MHz 434 MHz 315 MHz

50 ft 4.5 – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK

LAIPAC TECH

RLP A/F 13 916 MHz 200 ft 2.7 – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps


103

Modulación ASK Microchip rfRXD0420 2.79 300 Mhz

450 MHz 2.5V – 5.5V Bajo Consumo

Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK/FSK/FM 20 Pines

Microchip rfRXD0920 2.79 800 Mhz 930 MHz

2.5V – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: Hasta 40 Kbps Modulación ASK/FSK/FM 18 Pines

Módulo Transceiver:

Empresa Referencia Costo

[$US] Frecuencia Alcance Voltaje Características

ABACOM Technologies

WIZ-SML-IA 145 433 MHz 914.5 MHz 869 MHz

500 ft 5 V - Baud rate: Hasta 115.2 kbps - Detección automática de fin de dato - Puede transmitir hasta 96 byte a la vez en 18.9ms - Puede trabajar a 12V para conexión RS-232 ó a 5V para Microcontroladores

Richardson Electronics

TR3000 14 433.92 MHz 5v - Se debe hacer el protocolo de comunicación

NeedHam’s Electronics

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