Para realizar la medición de temperatura y humedad relativa se utilizó el sensor AM2301, su salida es digital y utiliza el protocolo 1-Wire (llamado así porque solamente usa un cable para transferir los datos); su apariencia física se observa en la Figura 42.
El fabricante recomienda que para la implementación de este sensor se utilice un cable blindado con una longitud máxima de 30m para una tensión de alimentación de 5V, con un resistor de pull-up de 5.1kΩ entre los pines VDD y SDA.
Este sensor presenta dos desventajas:
1. La luz ultravioleta puede afectar su funcionamiento.
2. El microprocesador interno del sensor actualiza su salida cada dos segundos. Para mayor información puede revisar la hoja de datos del mismo en el Anexo G.
El AM2301 se implementó en este proyecto para medir la temperatura y la humedad relativa del ambiente, por lo que no se requiere una respuesta rápida y para utilizarlo a la intemperie basta con introducirlo en una carcasa para protegerlo de la radiación directa del sol. A continuación, se presentan las principales características del AM2301 en la Tabla 8.
Figura 42. AM2301. Recuperado de: https://bit.ly/2JHbIjd Figura 43. Asignación de pines AM2301. Recuperado de: https://bit.ly/2JHbIjd P á g i n a 65 | 188
Tabla 8:
Principales características del sensor AM2301.
Parámetro Condición Mínimo Típico Máximo Unidad
Alimentación - 3.3 5 5.2 V Temperatura Resolución - - 0.1 - oC Rango - -40 - 80 oC Exactitud - - ±0.3 ±1 oC Repetitividad - - ±0.2 - oC Humedad Resolución - - 0.1 - %HR Rango - 0 - 99.9 %HR Exactitud 25 oC - ±3 - %HR Repetitividad
Nota. Adaptado de https://bit.ly/2JHbIjd. AOSONG (s.f.). Temperature and humidity module
6.1.2.2 Sensor para la medición del índice de radiación UV
Para la medición del índice de radiación UV se utilizó un sensor Davis 6490, el cual mide la radiación UV global, esto es, la suma en el punto de medida de las componentes directa, difusa y reflejada.
El Davis 6490 utiliza un fotodiodo semiconductor de alta precisión (±5% a escala completa), ubicado dentro de una carcasa plástica que proporciona un camino a las
corrientes de aire para enfriar el interior del mismo por convección, minimizando así el calentamiento del sensor. El anillo de corte proporciona una excelente respuesta coseno.
El fotodiodo que utiliza como transductor responde en el espectro de los 280 a los 360nm (espectro de acción eritemática), por lo que abarca toda la banda UVB y parte del espectro de la banda UVA, esto lo hace óptimo para su implementación en este proyecto.
Este sensor es de uso profesional y
originalmente está diseñado para ser usado en las estaciones meteorológicas fabricadas por Davis Instruments.
Figura 44. Sensor UV Davis 6490.
Recuperado de:
https://bit.ly/2FwnuHM
Figura 45. Diagrama de conexiones del sensor Davis 6490.
Recuperado de: https://bit.ly/2UbDMiQ
En la Tabla 9 se observan sus características principales. (Para mayor información puede revisar la hoja de características del sensor en el Anexo G).
Tabla 9:
Características principales del sensor Davis 6490.
Parámetros Características/Rango
Temperatura de operación -40° a 65°C
Respuesta espectral 280 a 360nm
Tipo de cable 4 conductores, 26 AWG con un conector modular RJ11 Tensión de alimentación +3V ±10%, 2.4 mA
Resolución 0.1 UVI
Rango de medición 0 a 16 UVI
Salida 150mV por UVI5
Nota. Adaptado de https://bit.ly/2UbDMiQ. Davis (s.f.). UV sensor 6490
6.1.2.3 Reloj de tiempo real (RTC):
El microcontrolador y la Raspberry Pi no cuentan con un reloj de tiempo real, por lo que es necesario utilizar un chip dedicado para la gestión del tiempo. Para este proyecto se usó un módulo RTC DS3231 sus principales características son: Alta precisión, un bus de comunicación I2C y un oscilador de cristal
compensando en temperatura. El DS3231 puede contar segundos, minutos, horas, día de la semana, mes y año (hasta el 2100). Para mayor información ver su hoja de características en el Anexo G.
6.1.2.4 Pantalla LCD
Para este proyecto se utilizó una pantalla LCD 20x4 la cual trae incorporado un chip PCF8574 (ver Anexo G) por lo que puede ser conectada a un microcontrolador por medio del bus I2C. El propósito de la implementación de esta pantalla es el de
monitorizar la medición de cada uno de los sensores, configurar y ver los datos
5 UVI: Índice de radiación ultravioleta.
Figura 46. Módulo DS3231.
Recuperado de:
https://bit.ly/2U0rmuW
Figura 47. Vista posterior pantalla LCD I2C.
Recuperado de: https://bit.ly/2uBDQd4
P á g i n a 67 | 188
del RTC, no es un elemento indispensable dentro del sistema pues la configuración del RTC puede realizarse por software, sin embargo, sirve como un instrumento de depuración, ya que todos los parámetros del proyecto se pueden visualizar en ella.
6.1.2.5 Pantallas de 7 segmentos
Para la visualización de la hora, la temperatura y la humedad relativa se implementaron pantallas de 7
segmentos de 2.3 pulgadas con modelo NFD-23011BS-11 (ver Anexo G).
6.1.2.6 Driver de pantallas de 7 segmentos
El MAX7219 (ver Anexo G) es un driver para el control de hasta 8 pantallas de 7 segmentos del tipo cátodo común. Sus características principales son las siguientes:
Utiliza una interfaz SPI6 a una frecuencia de 10MHz para su conexión a la mayoría de microcontroladores.
Puede proporcionar hasta 40mA para cada
segmento, para su utilización con pantallas de mayor consumo deben utilizarse componentes adicionales.
Al separar del microcontrolador el trabajo de redibujar la pantalla, pueden utilizarse con microcontroladores de bajos recursos sin problemas de rendimiento como parpadeo o redibujado desigual.
Como el bus serie que utilizan es suficientemente rápido, el valor mostrado en la pantalla puede refrescarse a buena frecuencia, sin esfuerzo para el microcontrolador, e incluso mostrar fácilmente movimiento.
Según la hoja de datos, el Max7219 puede operar hasta una temperatura de 70ºC.
6 Serial Peripheral Interface
Figura 48. Pantalla NFD-23011BS-11.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 49: MAX7219 fabricado por Maxim.
Recuperado de:
https://bit.ly/2FMB8rF
P á g i n a 68 | 188
6.1.2.7 Drivers de tensión y corriente UDN2981, ULN2803A
El UDN2981 (ver Anexo G) es un driver de fuente de 8 canales, compatible con entradas TTL, DTL, PMOS, o CMOS. Su principal aplicación es para la interfaz entre la lógica de bajo nivel y las cargas de alta tensión y corriente. Este chip puede proporcionar hasta 500mA por cada pin de salida con una tensión máxima de 50V.
El ULN2803A (ver Anexo G) es un buffer inversor con un arreglo de transistores Darlington de alta tensión y alta corriente, cuenta con 8 salidas que pueden proporcionar hasta 500mA con una tensión de 50V. Este IC cuenta con un resistor de 2.7kΩ en la base de cada par de transistores Darlington para su operación directa por dispositivos con lógica TTL o 5V CMOS.
Las hojas de datos del UDN2981 y del ULN2803A especifican que estos dispositivos pueden operar hasta una temperatura de 85ºC.
6.1.2.8 Arduino Nano
Para la implementación de este proyecto se utilizó una placa Arduino Nano; esta placa diseñada para el desarrollo de prototipos, usa el microcontrolador ATmega328P con un
oscilador de 16MHz y se programa en lenguaje C o C++ adaptado a microcontroladores AVR7.
7 Los AVR son una familia de microcontroladores RISC del fabricante Atmel.
Figura 50. Diagrama de bloques UDN2981
Recuperado de:
https://bit.ly/2CHOIe8
Figura 51. Diagrama lógico ULN2803A.
Recuperado de:
https://bit.ly/2gMQ2UW
P á g i n a 69 | 188
Tabla 10:
Características principales del microcontrolador ATmega328P
Descripción Características
Total pines E/S 14
Pines PWM 8bits 6
Entradas analógicas 8, con un ADC de 10bits
Pines interrupción externa 2
Corriente máxima pines E/S 40mA
Memoria Flash 32 KB
SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB
Nota. Adaptado de https://bit.ly/2zG9sjO. electronilab.co (s.f.). Arduino Nano V3
El Arduino Nano puede ser alimentado usando el cable USB Mini-B, con una fuente externa no regulada de 6-20V,
o con una fuente externa regulada de 5V. La fuente de alimentación es seleccionada automáticamente a aquella con mayor tensión, también cuenta con un chip CH340 para la comunicación USB serial. Sus
dimensiones (18.5mm x 43.2mm) lo hacen óptimo para tablas de nodo o para colocarlo directamente en tarjetas PCB ya sea soldado o por medio de terminales hembra. Debido a la comunidad de desarrolladores que usan esta placa, existen en línea una gran cantidad de librerías, esto reduce considerablemente el tiempo necesario para el desarrollo del código de programación.
El IDE para la programación de Arduino puede descargarse gratuitamente de la siguiente dirección: https://www.arduino.cc/en/Main/Software.
6.1.3 Diseño e implementación de la interfaz de visualización