DESARROLLO DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS B ASADO EN EL

SENSOR DIGITAL DB18B20 Y EN EL MICROCONTROLADOR AR DUINO.

Nicolás Vargas, Luis Cardón¹ 1 INENCO, Universidad Nacional de Salta, Facultad de Ciencias Exactas, Departamento de Física

e-mail: cardonluis2008@gmail.com

Recibido 15/08/19, aceptado 18/10/19

RESUMEN: En este trabajo se describe el desarrollo de un equipo de medición para la adquisición simultánea de temperaturas en diferentes sitios de un módulo habitacional experimental. Se precisó medir las temperaturas en la superficie interior y exterior de las cuatro paredes y del piso de una habitación experimental calefaccionada por energía solar, la temperatura del suelo a varios niveles de profundidad y la temperatura del agua en las entradas y salidas de la tubería de calefacción del piso radiante de la habitación. Como requerimiento básico se planteó un mínimo inicial de veinte puntos de medición para el módulo habitacional, con posibilidad de expansión ilimitada para un posterior acoplamiento del módulo de captación y acumulación solar. Para llevarlo a cabo se eligió el sensor de temperatura digital DB18b20 de la firma Dallas Semiconductor por su particular característica de conexión y transmisión de la información: un único canal de datos al que se conectan los sensores en red, identificados por su propio número de identidad. El equipo se diseñó y construyó alrededor de un módulo Arduino MEGA y se ha observado un funcionamiento adecuado durante cuatro meses. Palabras clave: adquisición de datos, sensor digital, DB18b20, Arduino. INTRODUCCIÓN El monitoreo de diversos parámetros para el análisis detallado del comportamiento térmico de edificios, viviendas o habitaciones experimentales con el propósito de evaluar nuevos componentes de transferencia, captación o acumulación de la energía solar requiere de equipos que permitan la adquisición simultánea de medidas de temperatura, radiación y otras cantidades en los distintos sitios de los montajes bajo ensayo, por tiempos prolongados. En general esto último limita el uso de equipos de medición de alta precisión como podrían ser los equipos de la firma Campbell Scientific, siempre en alta demanda en el laboratorio. En este proyecto, las locaciones de medición son las superficies exteriores de distinta orientación que se asolearán a distintas horas durante el día, las superficies interiores que transmitirán el calor con un cierto retardo según sus características, y las distintas profundidades del suelo. Además de las mencionadas, los sistemas activos introducen otros puntos de medición en los requerimientos. Para estos propósitos se ha utilizado una amplia variedad equipos de adquisición de datos cuyo costo varía según las prestaciones: número de canales de medición, frecuencia de medida, precisión. Con este propósito se ha usado en el pasado (Mendoza y Cardón, 2011, Gea et al., 2000) los equipos Nudam de la firma Adlink Technologies, con un amplio rango de tensiones de medición lo que los hace apropiados para el trabajo con sensores de diversos tipos. El módulo de adquisición Nudam produce una señal que se transmite mediante una conexión RS485, que debe ser convertida a RS232 para conectarse a una computadora. Disponen entre 8 y 28 canales de entrada y pueden conectarse en red.

ASADES Acta de la XLII Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 7, pp. 07.11-07.19, 2019. Impreso en la Argentina. ISBN 978-987-29873-1-2

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La aparición de sensores semiconductores de bajo costo ha dado origen a pequeños módulos de adquisición de datos como los módulos HOBO de la firma Onset que pueden funcionar independientes por largos períodos de tiempo y registrar sus mediciones en chips de memoria para un procesamiento posterior. El costo de todos estos equipos es relativamente elevado por lo que se han investigado alternativas más económicas basadas en componentes de uso general. Una ellas fue el uso de módulos comerciales de radio frecuencia programables (MCE wireless Kit RF de MC Electronics) complementados con un multiplexor analógico de ocho canales basado en el circuito integrado C.I. CD4051 (Mendoza, Hoyos y Cardón, 2013, 2014). Desafortunadamente el kit dejó de distribuirse en Argentina por lo que fue necesario cambiar de tecnología. En el trabajo mencionado, se utilizó como sensor de temperaturas el integrado LM35. Desde entonces, han aparecido sensores digitales de bajo costo y en particular el sensor DB28b20 (aproximadamente 2USD) que hemos usando en el presente trabajo. La particularidad de estos sensores, es que la red se realiza a nivel del sensor mismo y no de módulos de adquisición de datos como en los ejemplos mencionados precedentemente, lo que simplifica notablemente el cableado de la red y abarata los costos de implementación de una red con gran cantidad de sensores. Por último la aparición de plataformas electrónicas de desarrollo, o microcontroladores de placa única, como las placas Dwengo, Wiring o Arduino, ha permitido el desarrollo alrededor de ellas de equipos de adquisición de bajo costo. La variedad de sensores de temperatura ha crecido paralelamente al desarrollo de las plaquetas. En el pasado se han usado sensores electrónicos analógicos, diodos, o más específicos para la medición de temperaturas como el sensor LM35. Este sensor posee un rango de trabajo desde -55ºC hasta 150ªC. Su salida de tipo analógica es lineal con la temperatura con una pendiente de 10mV/ºC y viene sensor calibrado de fábrica a una precisión de 0.5ºC. Se alimenta directamente con una fuente de 5V y entrega una salida analógica entre 0V a 1.5V. Este voltaje analógico puede ser leído por el convertidor analógico digital de un microcontrolador como Arduino. Tiene la desventaja que requiere un puerto analógico (ADC) por cada sensor. Recientemente se introdujeron los sensores de temperatura digitales que, a diferencia de los analógicos, procesan la medida internamente para producir un valor digital. Este valor, conjuntamente con la identificación del sensor se vuelca a un único cable de red. El equipo de adquisición determina el canal de medida (la identidad del dato volcado a la red). A esta clase pertenece el sensor DB18b20 en base al cual se ha desarrollado el presente trabajo. Esta tecnología presenta varias ventajas, entre ellas la simplicidad en el cableado y la simplicidad en la lectura de la información por el microcontrolador. Teniendo en cuenta la tecnología disponible y los requerimientos descriptos, se diseñó y construyó un equipo de adquisición de datos cuyo núcleo de control y procesamiento es una plaqueta Arduino MEGA y que registra los datos de la red de sensores DB18b20 distribuidos en el módulo habitacional. El módulo habitacional El módulo habitacional de ensayo es una caseta, construida de ladrillo hueco, techo de chapa y cielorraso de paneles de yeso empapelado que será utilizada como carga térmica de calefacción para un sistema solar combinado (calefacción y agua de uso sanitario). La Figura 1a muestra una fotografía de la misma. El piso acomoda un serpentín de tubo PEX, posicionado aproximadamente como una espiral de Fermat como se muestra en la Figura 1c. El serpentín será usado como el elemento calefactor principal de un piso radiante alimentado agua caliente de calefacción solar. La red de medición conecta los sensores de temperatura en el interior y exterior de las paredes, que se han embutido a la distancia más corta posible de la superficie de la pared. También se incluye la medición en profundidad en el suelo con seis sensores acomodados cada cinco centímetros desde la superficie del suelo. Los sensores de temperatura en profundidad se han montado en un tubo de PVC, como se muestra en la Figura 1 b ) que se ha colocado en un orificio en el suelo y se ha usado arena como elemento intermedio. Se ha provisto también sensores embutidos/sellados para medir la temperatura de entrada y salida de agua del serpentín calefactor.

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EL EQUIPO DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS El equipo de adquisición de datos se desarrolló en base a la tarjeta microcontroladora Arduino, una tarjeta microcontroladora de desarrollo de hardware para construir prototipos de dispositivos digitales. Las tarjetas microcontroladoras de Arduino, así como otras, poseen entradas digitales y analógicas, salidas digitales, puertos de conexión en serie, relojes, convertidores analógicos digitales, memoria RAM. Se distinguen unas de otras por sus aspectos cuantitativos más que cualitativos. De entre ellas se seleccionó la tarjetas MEGA 2560, basada en el microcontrolador Atmega2560. Esta placa dispone de 54 pines que pueden funcionar como entradas/salidas digitales, 14 de las cuales se pueden utilizar como salidas PWM (modulación de anchura de pulso). Además dispone de 16 entradas analógicas, 4 UARTs (puertos series), un oscilador cristal de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un conector ICSP (in circuit serial programming) y un pulsador para la reinicialización. La Tabla 1 muestra las conexiones entre la tarjeta Arduino y los distintos módulos y la Figura 2 muestra un diagrama general del aparato construido.

Tabla 1: Conexión de los módulos y sensores con los pines del Arduino

(a)

(b)

(c)

Figura 1: a) Modulo habitacional de ensayo; b) tubo medidor de perfil de temperatura en el suelo, c) serpentín del piso radiante en construcción.

Pin del Arduino pin del módulo RTC 5V VCC

GND GND SDA SDA SCL SCL

Pin del Arduino pin del módulo micro SD 5v VCC

GND GND 53 CS 52 SCK 51 MOSI 50 MISO

Pin del Arduino pin del sensor de humedad 5V VCC

GND GND A0 A0

Pin del arduino pin del sensor de temperatura 18b20 5V VDD

GND GND 2 DQ

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Figura 2: Esquema general de conexiones entre la plaqueta Arduino y los módulos En las Figuras 3 y 4 se muestra el gabinete que contiene el equipo con el módulo Arduino y los sensores embutidos en la pared.

Figura 3: Vista del gabinete que contiene el Datalogger con Arduino

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Figura 4: Vista de los sensores embutidos en la pared.

Sensor de temperatura DB 18b20 El sensor de temperatura digital DS18B20 (Dallas Data Sheet) convierte la medida de temperatura en grados Celcius en un valor digital con una resolución programable de entre 9bit a 12bit. En nuestro equipo se configuró inicialmente para una resolución de 9bit. Actualmente trabaja con 12bit. El sensor se comunica a través de un canal de datos de un solo cable (Bus One-Wire) que por definición requiere sólo la línea de datos y la alimentación para la comunicación con el equipo de adquisición. Cada sensor tiene un código serie único de 64 bits, que permite que varios de ellos funcionen sobre el mismo bus de datos. Por lo antedicho, es fácil utilizar un microcontrolador para control de muchos DS18B20s distribuidos en una gran área. Para el rango de temperaturas entre -10 ºC y 85 ºC el sensor tiene una precisión de medio grado (18b20 Data Sheet). Medición del tiempo. Un factor importante en todo equipo de adquisición de datos es la medición del tiempo, que debe acompañar cada registro línea de medición. Usualmente se requiere el registro de la fecha y la hora. Para esta tarea se incorporó un reloj de tiempo real (RTC) externo, el DS3231, que permite el registro de la fecha y el tiempo en las unidades estándares. El corazón del RTC es un resonador de cristal integrado con la electrónica necesaria para contabilizar de forma correcta el paso del tiempo. Tiene en cuenta las unidades temporales estándares que pueden expresarse en el sistema sexagesimal, los meses con diferentes días, o los años bisiestos. Su uso confiere la ventaja de reducir el consumo de energía, aportar mayor precisión y liberar al controlador de esta tarea. La incorporación de una batería que permite mantener el valor del tiempo en caso de pérdida de alimentación, aspecto fundamental en los sistemas de adquisición de datos. Este módulo consta de una EEPROM AT24C32, que puede ser empleada para almacenar registros y mediciones. Posee también un sensor de temperatura de baja precisión ( ±3 ºC) que no se ha utilizado. Comunicación inalámbrica También se ha incorporado al equipo un módulo Bluetooth HC-05 compatible con el protocolo Bluetooth 2.0 para posibilitar la comunicación inalámbrica con el dispositivo con un alcance de 10 metros. Tiene la particularidad de configurarse tanto como maestro o como esclavo, lo que permite, por ejemplo, conectar dos módulos de Bluetooth y formar una conexión punto a punto para transmitir datos entre dos microcontroladores o dispositivos. Conexión del reloj de tiempo real. La conexión del módulo de tiempo real RTC DS 3231 a la placa controladora se realiza conectando dos pines para la alimentación y dos pines para la comunicación. La comunicación utiliza el protocolo I2C, cuyas funciones se disponen en la librería Wire. La Figura 5 muestra el diagrama de conexión.

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Figura 5: Vista de la conexión del módulo DS3231 con la placa Arduino

Se dispone además la librería RTClib que implementa las funciones necesarias para poder obtener la hora, minutos, segundos y fijar la hora en el reloj. Conexión del Módulo Micro SD La conexión del módulo Micro SD con la placa Arduino requiere dos pines para la alimentación y cuatro pines para la lectura y escritura en la tarjeta SD. La comunicación entre el módulo Micro SD y Arduino se hace mediante el protocolo SPI. El diagrama de conexión se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Vista de la conexión del módulo micro SD con la placa Arduino.

Las librerías SPI proveen las funciones del protocolo SPI, mientras que las librerías SD proveen las funciones de creación, apertura, cierre y remoción de archivos y directorios, lectura y escritura de datos. Solo es necesaria la instalación de las librerías para hacer funcionar el sistema controlado por su programa (sketch en la terminología de Arduino). Descripción básica de la programación El entorno de programación de Arduino es sencillo y divide la ejecución en dos partes: una configuración, setup(), y un lazo de ejecución, loop(). En la configuración se incluye las librerías de comunicación con los módulos y sensores, luego se declaran las variables para el control de los módulos y también los que almacena los datos entregados por los sensores y los módulos hasta que son almacenados en la memoria micro SD. El setup() inicia los protocolos de comunicación para los módulos. Usa la función SD.begin() para inicializar la memoria, y las funciones Wire.begin() y rtc.begin() para inicializar el reloj. Para inilcializar los sensores 18b20 usa sensors.begin() y para la comunicación serie Serial.begin(). También se incluye el encabezado del archivo de texto en donde se guardaran las temperaturas y las fechas. En lazo el void loop() llamamos las funciones que escribirán

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la fecha y hora por el puerto serie y un bloque de tiempo que realiza la lectura de las temperatura de los sensores y también llama la función que escribirá los datos en la micro SD cada 20 minutos. La función medirsensores() se encarga de obtener las temperaturas de todos los sensores 18B20 guárdalas en las variables correspondientes y aplicarles la ecuación de calibración para luego el resultado grabarlos en la tarjeta de memoria. El programa esta disponible desde la plataforma Github en https://github.com/Vargasn/18b20daq/. Conexiones del sensor digital de temperatura Existen dos formas de alimentar el sensor. Una a través del pin VDD. La otra a través del propio pin de datos DQ, en modo parásito. En cualquiera de ellos, se conecta una resistencia de acoplamineto (pull-up) con el pin DQ. El motivo de esta resistencia es debido a la electrónica para controlar el canal de comunicación. Utiliza un FET de drenaje abierto que se comporta como una puerta AND. Cuando nungún sensore del os conectados al canal One-Wire envía datos, la línea de datos será igual a la tensión que suministremos (puede ser de 3V a 5,5V) debido a la resistencia de acoplamiento. En el momento que un sensor empieza a transmitir, la línea cambia de estado y se sabe que hay un sensor transmitiendo datos. La resistencia de acoplamiento requerida depende de la longitud del cable. Para distancias menores a 5m es suficiente una resistencia de 4,7 kΩ. La Figura 7 muestra un diagrama de conexión del sensor 18B20.

Figura 7: Vista de la conexión de los sensores 18B20 con la placa Arduino

Calibración de los sensores DB18b20 El equipo de adquisición y el conjunto de sensores a utilizar fueron calibrados contra un calibrador de la marca FLUKE Dual-Block Calibrator 9009 como referencia. Los sensores se calibraron en el rango 0 °C a 80 °C, tomándose medidas cada diez grados y dejando estabilizar el calibrador durante cinco minutos. Los datos muestran en general un comportamiento lineal, con coeficientes de correlación R altos, mayores de 0.99 salvo para algunos sensores que fueron descartados. Terminada la calibración los sensores se colocaron en los sitios de medición, embutidos en las paredes o enterrados en el suelo. Los coeficientes de calibración se usaron para corregir las medidas por software. La Figura 8 muestra un gráfico de la salida parcial de las mediciones realizadas en la habitación de prueba.

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Figura 8: Evolución de la temperatura de las superficies internas y externas de las paredes de la habitación de prueba, registrada entre los días 26 de setiembre al 3 de octubre, tomadas cada 20

minutos.

CONCLUSIONES Se desarrolló un equipo de medición para la adquisición simultánea de temperaturas en diferentes sitios de un módulo habitacional experimental solar. Las premisas de diseño fueron: construcción de bajo costo con electrónica comercial estándar y flexibilidad en la conexión de múltiples sensores, objetivos que fueron alcanzados con un costo aproximado 40USD. Para llevarlo a cabo, se eligió el sensor de temperatura digital DB18b20 de la firma Dallas Semiconductor. El equipo lleva varios meses funcionando en forma adecuada. REFERENCIAS Mendoza F. y L. Cardón. (2011). Construcción y ensayo de un piso radiante hidrónico solar. Avances en Energía Solar y Medio Ambiente. Vol 15, pp. 5.65-5.74. Mendoza F., D. Hoyos y L. Cardón. (2013). Desarrollo de una red de sensores para el monitoreo por radiofrecuencia de una vivienda solar activa. Actas de la XXXVI Reunión de ASADES, Vol 1. pp 08.131- 08.138. Cardón L., Mendoza, F. y otros. (2014). Monitoreo de una vivienda solar activa: adquisición y análisis de datos. VIII Congreso Latinoamericano de Ingeniería Mecánica, COLIM, Cuenca, Ecuador. Gea M., Iriarte A., y otros. (2000). Sistema de medida y calibración para módulos de adquisición de datos con conexión seriada. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente; vol. 4, pp 41-46. Tutorial Arduino y memoria SD y micro SD. [en línea] Dirección URL <https://naylampmechatronics.com/blog/38_Tutorial-Arduino-y-memoria-SD-y-

micro-SD-.html> Dallas Data Sheet (2019). datasheet18b20.pdf [en línea] Dirección URL <https://www.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/pdf/58557/DALLAS/DS18B20.html>

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Tutorial sensor de temperatura DS18B20. [en línea] Dirección URL <https://naylampmechatronics.com/blog/46_Tutorial-sensor-de-temperatura- DS18B20.html>

DEVELOPMENT OF A DATA ACQUISITION SYSTEM BASED ON T HE DB18B20 DIGITAL SENSOR AND THE ARDUINO MICROCONTROLLER.

ABSTRACT This work describes the development of a measuring device for the simultaneous acquisition of temperatures at different sites of an experimental housing module. It was necessary to measure the temperatures on the inner and outer surface of the four walls and the floor of an experimental room heated by solar energy, the temperature of the soil at various levels of depths and the temperature of water at the inlet and outlet of the heating pipeline underfloor of the room. As a basic requirement, an initial minimum of twenty measurement points for the actual setup, with the possibility of unlimited expansion for measurement of a later addition of a solar collection module. To carry it out, the Dayas DB18b20 digital temperature sensor was chosen because of its particular connection and information transmission characteristic: a single bus to which the networked sensors are connected, identified by their own identity number. The equipment was designed and built around an Arduino MEGA module and it has been running for several months.

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