SISTEMA AUTÓNOMO DE ADQUISICIÓN DE DATOS PORTÁTIL DATA LOGGER AUTOR : ESTEBAN J. SARAVIA DIRECTOR : I NG. R AUL AUL R IVERA IVERA I NG. WALTER GEMIN CARRERA: I NG. ELECTRÓNICA NOVIEMBRE 2004
Palabras clave: Data Logger, Sensores, PIC, Bajo Consumo, EEPROM serie, I 2C. Resumen Se desarrolló un sistema de adquisición y registro automático de datos de cuatro canales destinado al monitoreo y reporte de cambios en las condiciones ambientales. El mismo fue solicitado por la Facultad de Ciencias Agrarias. Agrarias. Dicho sistema consta principalmente de de un microcontrolador de la línea PIC de Microchip, una memoria EEPROM serie para el almacenamiento de los datos y la posibilidad de conectar hasta cuatro sensores. Este dispositivo es alimentado por una batería de 9 volts, lo que junto con su tamaño reducido le permite permite ser fácilmente fácilmente transportado. transportado. La lectura lectura de los datos se efectúa mediante una PC, a la que se accede mediante su puerto serie. El usuario puede ingresar y configurar el tipo de sensor que desee, mientras se ajuste a las especificaciones de entrada de cada canal. La capacidad de almacenamiento es de 16300 muestras, y puede programarse su lectura en intervalos desde 1 segundo hasta 6 horas.
INTRODUCCIÓN Un Data Logger es un disp dispos osit itiv ivoo elec electr trón ónic icoo que que regi regist stra ra medi medici cion ones es orde ordena nada dass en el tiem tiempo po,, provenientes de diferentes sensores. Luego cada medición es almacenada en una memoria, junto con su respectiva fecha y hora. En general los Data Loggers son pequeños y alimentados por baterías, y están conformados por un microproc microprocesad esador, or, una memoria para el almacenamiento de los datos y dife difere renntes tes sen sensore soress. La mayoría utilizan a la PC como inte interf rfas asee para para prog progra rama marr al dispositivo y leer la información recolectada. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Como punto de partida se plantearon una serie de características que debía cumplir el sistema, para ser competitivo frente a productos similares existentes en el mercado. Por lo tanto debe:
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Ser portátil, es decir, funcionar con baterías y tener un peso y tamaño que le permita ser transportado con facilidad. Tene Tenerr un bajo bajo cons consum umo: o: hay hay que que tene tenerr en cuen cuenta ta que que este este tipo tipo de sistem sistemas as pue pueden den trabaj trabajar ar duran durante te semanas, meses y hasta años, por lo tanto es muy importante el consumo y la capacidad de las baterías. Intervalos de muestreo programables y con la mayor flexibilidad posible, desde seg segundo undoss hasta sta hora horas. s. Esto Esto perm permit itee regist registrar rar varia variable bless con difere diferente ntess velocidades de variación. Ten Tener una una buena uena cap capacid acidaad de almac almacena enamie miento nto de datos datos.. En este este punto entran en juego las cara caract cter erís ísti tica cass ante anteri rior ores es,, por por lo tanto hay que determinar una cierta canti cantida dadd de memor memoria, ia, tenien teniendo do en cuenta que la durac ración de las •
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baterías depende del consumo, y el tiempo de trabajo dependerá del intervalo entre muestras y la capacidad de memoria. Bajo costo de los componentes y disponibilidad. Es muy importante ya que para ciertas aplicaciones se podrían necesitar varios equipos, o bien, puedan ser utilizados en lugares donde corran el riesgo de ser destruidos. Una interfase con el usuario a través de una PC, donde el usuario pueda programar o leer el dispositivo de una manera sencilla y rápida, utilizando aplicaciones que le sean familiares para analizar la información.
APLICACIONES Los Data Loggers pueden ser construidos para controlar todo tipo de datos ambientales. La temperatura y la humedad son las más comunes. Según se requiera pueden servir para otras aplicaciones. Por ejemplo han sido utilizados por muchos años en los servicios meteorológicos para medir la humedad, presión atmosférica, los niveles de precipitación, etc. También un Data Logger puede ser transportado, por ejemplo, para registrar la cadena de frío de una carga desde una planta hasta el centro de distribución.
MATERIALES Y MÉTODOS Son tres las partes principales que conforman un Data Logger: microcontrolador, memoria y sensores.
El microcontrolador es la parte fundamental del sistema, pero también la más costosa. Para este desarrollo se utilizó el microcontrolador PIC16F873 de la firma Microchip por tener una buena relación entre costo y prestaciones. La memoria de datos utilizada es del tipo EEPROM serie (24LC256 de la empresa Microchip) la cual posee una interfase de comunicación sincrónica Inter-Integrated Circuit (I2C), siendo compatible con el microcontrolador seleccionado. Los sensores son la otra pieza fundamental, en este caso el sistema no responde a un solo tipo de sensor. Ofrece al usuario la oportunidad de implementar el tipo de sensor, disponiendo de cuatro canales de entrada. Esto se debe a que el equipo mide un valor de tensión (entre 0 y 5volts) que proviene del sensor, y a la vez genera una salida de 5volts regulada con el fin de alimentar al sensor o bien a un circuito de acondicionamiento si fuese necesario. Esta tensión de salida se genera en el instante de muestreo y tiene una duración de 5mseg. El microcontrolador convierte el valor analógico leído en su equivalente digital de 10 bits, por lo tanto se obtiene una resolución de 5milivolts en cada canal. Para la programación y lectura del Data Logger se desarrolló un software, el cual utiliza para la comunicación el puerto serie de la PC (RS232).
Para obtener una mayor velocidad en la lectura de los datos, la PC se comunica directamente con la memoria serie. La base de tiempo está diseñada en base a un oscilador y divisor de frecuencias, que utiliza un cristal de cuarzo de 32.768Hz propio de los relojes pulsera. El bajo consumo de esta unidad le otorga al sistema una autonomía de hasta 1 año, a un intervalo de muestreo de 1 minuto. FUNCIONAMIENTO GENERAL El usuario mediante el software de aplicación configura al equipo en cuanto a la cantidad (hasta 4) y tipo de sensores, intervalos de muestreo por canal (desde 1 segundo hasta 6 horas) y el tiempo de operación. Permite ingresar hasta 7 programas, en los cuales se indica la fecha y hora de inicio y finalización de la toma de muestras. Mientras se programa, el software muestra la capacidad de memoria utilizada, teniendo un máximo de almacenamiento de 16300 muestras. Una vez programado se envía la orden al Data Logger, el cual se sincroniza con la fecha y hora de la PC, y comienza con la ejecución de tareas. Posee un modo denominado Pausa que le permite al usuario marcar el momento en que el equipo no posee sus sensores conectados. El usuario puede leer los datos recopilados en cualquier momento, aunque el equipo se encuentre trabajando. El software indicará su estado de funcionamiento y el nivel de batería. Además es posible leer y calibrar cada sensor desde la PC y agregar nuevos sensores indicando su ecuación de transferencia.
R ESULTADOS Y CONCLUSIONES Como resultado de este proyecto se obtuvo un sistema completo para la adquisición de datos, el cual está listo para ser implementado en una aplicación que determine el usuario. Este sistema tiene características que le permiten ser competitivo en el mercado, entre ellas se destacan su bajo costo, tamaño y peso reducido, capacidad de ser portátil, cuatro canales de entrada, fácil programación y uso, etc. Todos los componentes del equipo fueron seleccionados según su disponibilidad en el mercado local, lo que permite una fácil reproducción. Como componente central se utilizó el PIC16F873 de Microchip que gracias a su capacidad de ser un dispositivo programable, le permitió al sistema ser autónomo. Como conclusión se consiguió un sistema versátil y eficiente con posibilidades de ampliar su capacidad y funcionalidad en diseños futuros. Entre estas se podrían nombrar el agregado de canales digitales de entrada/salida, toma de decisiones en base a los datos analógicos recopilados, control desde un sitio remoto, etc. Pero siempre teniendo como base el mismo sistema.
BIBLIOGRAFÍA
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Apuntes de la Cátedra “Adquisición Digital de Señales”, especialmente lo relacionado con Data Loggers e Interfase RS232. Autor: Raúl R. Rivera. PICmicroTM Mid-Range MCU Family Reference Manual, obtenido vía Internet. http://www.microchip.com/stellent/i dcplg? IdcService=SS_GET_PAGE&nodeI d=1335&dDocName=en010236
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Hojas de Datos del microcontrolador PIC16F873, obtenido vía Internet. http://ww1.microchip.com/downloa ds/en/DeviceDoc/39582b.pdf Hojas de Datos de la memoria EEPROM serie, obtenido vía Internet. http://ww1.microchip.com/downloa ds/en/DeviceDoc/21203M.pdf Hojas de Datos del oscilador/divisor CD4060, obtenido vía Internet. http://www.fairchildsemi.com/pf/C D/CD4060BC.html Información sobre características de Data Loggers existentes, obtenida vía Internet en las siguientes páginas: http://www.veriteq.com/temperature /sp-1000-2x.htm http://www.evidencia.biz/espanol/w hat-is/index.htm Application Notes incluidas en el CDROM “Microchip Technical Library, first edition 2000” Código: AN567, Título “Interfacing 24LCXXB Serial EEPROMs to the PIC16C54” Código: AN580, Título “Using Timer 1 in Asynchronous Clock Mode” Código: AN582, Título “LowPower Real Time Clock”
