DISEÑO DE HARDWARE Y SOFTWARE PARA UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA INTEGRANDO UN PLUVIÓMETRO, ANEMÓMETRO Y VELETA PARA UTILIZARLOS COMO INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

BRYAN HUMBERTO LOPEZ CARVAJAL

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013

   

DISEÑO DE HARDWARE Y SOFTWARE PARA UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA INTEGRANDO UN PLUVIÓMETRO, ANEMÓMETRO Y VELETA PARA UTILIZARLOS COMO INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

BRYAN HUMBERTO LOPEZ CARVAJAL

Proyecto presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor Wilmar De Jesus Marín Jaramillo

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013

   

CONTENIDO

1. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................. 4 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 5 3. OBJETIVO GENERAL ......................................................................................... 5 4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................ 5 5. MARCO REFERENCIAL ...................................................................................... 6 6. DESARROLLO DEL PROYECTO ....................................................................... 8 7. CONCLUSIONES .............................................................................................. 11 8. REFERENCIAS CIBERGRÁFICAS ................................................................... 12 LISTA DE TABLAS ................................................................................................ 13 LISTA DE FIGURAS .............................................................................................. 14 GLOSARIO ............................................................................................................ 15

   

1. JUSTIFICACIÓN

El objeto del proyecto en proceso, es el desarrollo y diseño de hardware y software para una estación meteorológica integrando un pluviómetro, anemómetro y veleta para utilizarlos como instrumentos de medición con el fin de que sean utilizados para obtener información acerca de la distintas variables meteorológicas como lo son la precipitación, velocidad y dirección del viento y así poder procesarla según sea la necesidad o aplicación.

4    

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El desarrollo de este proyecto se basa en integrar instrumentos de medición de variables ambientales tales como la precipitación, la velocidad del viento y su dirección,

utilizando

para

esto

un

pluviómetro,

anemómetro

y

veleta,

respectivamente. La integración de los elementos antes mencionados se llevara a cabo mediante hardware y software según sea necesario.

3. OBJETIVO GENERAL

Integrar los elementos de medición básicos de una estación meteorológica mediante hardware y software.

4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Integrar al Arduino Nano® el pluviómetro utilizando lenguaje maquina. • Integrar al Arduino Nano® el anemómetro utilizando lenguaje maquina. • Integrar al Arduino Nano® y al anemómetro la veleta utilizando lenguaje maquina. • Realizar pruebas en campo de cada sistema individual y general. • Generar los esquemáticos y circuitos impresos finales.

5    

5. MARCO REFERENCIAL

Estación Meteorológica Es un lugar estratégicamente elegido para la instalación de instrumentos de medición con el fin de tomar datos de componentes y variables existentes en el ambiente. El agua precipitada, la velocidad del viento y su dirección serán las variables objeto de medición de este proyecto y se emplearan un pluviómetro, anemómetro y una veleta, respectivamente, para la toma de datos.

Pluviómetro Este instrumento mide la cantidad de agua precipitada (lluvia) y cada 0.2794mm (milímetros) de agua cierra un contacto, el cual es transmitido por un cable RJ11, este pulso podrá ser aprovechado por un contador digital o por un micro controlador a través de sus entradas de interrupción.

Anemómetro Sirve para medir la velocidad del viento, aunque podría ser engañoso por los picos generados en las ráfagas o turbulencias. El anemómetro utilizado en este proyecto es conocido como el anemómetro tipo copa, este a una velocidad de 2.4Km/h cierra un contacto una vez por segundo.

Veleta Según la trayectoria del viento ayuda a determinar su dirección en 16 posibles posiciones (Norte, Sur, Este, Oeste e Intermedias), utiliza resistencias ordenadas y la variación en la impedancia para hacer la filiación de dirección.

6    

En su interior tiene ocho interrupciones conectadas a diferentes resistencias, con el paso de la veleta y dependiendo de la ubicación cierra el contacto de las interrupciones formando un circuito de divisor de voltaje, este ultimo podría aprovecharse para ser medido con un convertidor análogo – digital.

Arduino Nano® El Arduino Nano® es una pequeña board, completa y fácil de usar y se basa en el ATmega328 (Arduino Nano 3.0) o ATmega168 (Arduino Nano 2.x). Tiene más o menos la misma funcionalidad de la Arduino Duemilanove, pero en un paquete diferente. Le falta sólo una toma de alimentación de CC, y funciona con un cable mini-B USB en lugar de una estándar. El Arduino Nano® fue diseñado y está siendo producido por Gravitech.

7    

6. DESARROLLO DEL PROYECTO

El proyecto da inicio con el análisis de cada instrumento de medición, validando la manera en que opera cada uno de ellos y en el caso de la veleta confrontando los valores teóricos mostrados en la Tabla 1 con los reales medidos en el laboratorio.

Tabla 1. Valores de Resistencia y Voltaje según el Angulo En el procedimiento de análisis de funcionamiento se encontró que tanto el pluviómetro como el anemómetro entregan la información por los pines 2 y 3 del RJ11 y su principio de funcionamiento se basa en cerrar un contacto generando un pulso que podrá ser aprovechado por un micro controlador a través de sus puertos de interrupción, aunque el anemómetro puede integrarse con la veleta, acoplando la terminal macho RJ11 del anemómetro en un puerto auxiliar hembra

8    

RJ11 De la veleta, de esta manera el RJ11 que sale de la veleta entregarían la información de la veleta por los pines 1 y 4 y la información del anemómetro por los pines 2 y 3.

Imagen 1. A la Izq. Pines conexiones para Pluviómetro y Anemómetro. Al Centro y Der. Configuración de pines Anemómetro y Veleta. Una vez realizado el análisis anterior se procede al desarrollo e implementación del software que hará lectura de los datos proporcionados por cada instrumento, para esto se utilizará un Arduino Nano® y su lenguaje de programación. El pluviómetro es el instrumento con el que se inicia el proceso de desarrollo, para este es necesario implementar un circuito anti - rebote a la entrada del puerto de interrupción del Arduino Nano®, este circuito también se implementa para el desarrollo del anemómetro que es el segundo en el proceso. Por último se implementa la veleta, luego de tener los tres instrumentos funcionando por separado, dado que se desea tener los tres instrumentos funcionando al tiempo, se procede a hacer la integración de los mismos. La primera integración se hace con el anemómetro y la veleta, la cual se logra a la perfección, una vez se obtienen los primeros resultados de la forma esperada, se procede a hacer la integración del anemómetro y veleta con el pluviómetro, es en esta etapa donde se encuentran algunos inconvenientes con el software y con el hardware implementado, ya que mientras se realizaban ajustes y pruebas en el software, se quemaron algunos elementos del circuito anti – rebote del pluviómetro.

9    

Después de realizar los correctivos necesarios, se obtuvo el esquemático final el cual será el referente para hacer los circuitos impresos.

Imagen 2. Superior Izq. Esquemático pluviómetro. Inferior Izq. Esquemático Anemómetro y Veleta integrados. Der. Esquemático Arduino Nano®

Imagen 3. Diseño de impresión según el esquemático final, realizado en Eagle® Izq. Mascara de componentes. Der. Pistas de Conexión

10    

7. CONCLUSIONES

• Se evidenció satisfactoriamente que mediante la aplicación de conceptos electrónica básica se pueden homologar y validar variables ambientales como los son la precipitación, la velocidad del viento y su dirección. • El uso de nuevas tecnologías nos facilitan la toma de datos y su procesamiento, el Arduino Nano® fue una herramienta fundamental para el desarrollo de este proyecto, no solo por su eficiencia y tamaño sino también por las facilidades que brinda en su manejo. • El lenguaje de programación que propone el Arduino Nano® fue un factor clave para la integración de los distintos módulos de la estación meteorológica en desarrollo, ya que el fácil manejo y el acompañamiento que ofrece el fabricante fueron los adecuados.

11    

8. REFERENCIAS CIBERGRÁFICAS

• http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/pluviometro.ht ml • http://www.pluviometro.com/temasdivul/plugral.html • http://www.infoagro.com/instrumentos_medida/doc_anemometro_velocidad _viento.asp?k=80 • http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/anemometro. html • http://foro.tiempo.com/medida-del-viento-en-superficie-t39670.0.html • http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/veleta.html • http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/estacionmete orologica.html • http://arduino.cc/es/Main/ArduinoBoardNano

12    

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Valores de Resistencia y Voltaje según el Angulo…………………………8

13    

LISTA DE IMÁGENES

Imagen 1. A la Izq. Pines conexiones para Pluviómetro y Anemómetro. Al Centro y Der. Configuración de pines Anemómetro y Veleta…………………………………..……...…………………………9 Imagen 2. Superior Izq. Esquemático pluviómetro. Inferior Izq. Esquemático Anemómetro y Veleta integrados. Der. Esquemático Arduino Nano®…………………………………………………………..10 Imagen 3. Diseño de impresión según el esquemático final, realizado en Eagle® Izq. Mascara de componentes. Der. Pistas de Conexión………………………………………………………………………10

14    

GLOSARIO

Estación Meteorológica: Es un lugar estratégicamente elegido para la instalación de instrumentos de medición con el fin de tomar datos de componentes y variables existentes en el ambiente. Pluviómetro: Es un instrumento que mide la cantidad de agua precipitada (lluvia) y cada cantidad específica de agua cierra un contacto, de manera análoga se genera un pulso el cual podrá ser aprovechado por un contador digital o por un micro controlador. Anemómetro: Sirve para medir la velocidad del viento, aunque podría ser engañoso por los picos generados en las ráfagas o turbulencias. Veleta: Según la trayectoria del viento ayuda a determinar su dirección (Norte, Sur, Este, Oeste e Intermedias). Arduino Nano®: El Arduino Nano® es un micro controlador y su apariencia es de una pequeña board, completa y fácil de usar y se basa en el ATmega328 (Arduino Nano 3.0) o ATmega168 (Arduino Nano 2.x). Tiene más o menos la misma funcionalidad de la Arduino Duemilanove, pero en un paquete diferente. Le falta sólo una toma de alimentación de CC, y funciona con un cable mini-B USB en lugar de una estándar. El Arduino Nano® fue diseñado y está siendo producido por Gravitech.

15