Pag 49 Sensor SHT15

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE CIENCIAS TÉCNICAS ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

______________________________ _____________________________________________ ______________________________ _______________________ ________ CAPITULO III: 3.1 Diagrama de flujo del proceso:

Figura 3. Diagrama de flujo del proceso Observación: Para la temperatura utilizamos la niquelina, en cambio para la humedad utilizamos el calefactor con el cual generamos g eneramos vapor de agua.

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______________________________ _____________________________________________ ______________________________ _______________________ ________ 3.2 Descripción del proceso: Una vez que tengamos todo armado nosotros podremos configurar la temperatura y la humedad que nosotros deseamos en el interior del prototipo mediante la PC el control lo podremos hacer automáticamente o manualmente. El modulo de control tiene tres partes diferenciadas: 1. Adquisición de datos del sensor 2. Visualización de los datos en el LCD; y 3. la activación / desactivación de los actuadores

Inicialización: Lo primero que hace el microcontrolador al volver del reset es configurar sus entradas / salidas, inicializar el LCD, inicializar el bus I2C, inicializar el sensor SHT15 e inicializar el puerto RS232. Una vez inicializado el microcontrolador se entra en un bucle infinito que monitorea continuamente el cual adquiere los datos de humedad y temperatura del prototipo y actúa en consecuencia para mantenerlo dentro de los niveles de temperatura y humedad óptimos.

Adquisición: El SHT15 suministra datos de temperatura y humedad de una vez por segundo.

Actuación: Los valores de temperatura va variando de acuerdo a la edad de los pollos. Como se observa en la tabla1. La humedad va estar dentro de estos rangos 50-70%. 50-70%. Una vez que tenemos la lectura de temperatura y humedad empieza a funcionar de la siguiente manera:

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______________________________ _____________________________________________ ______________________________ _______________________ ________ 3.2 Descripción del proceso: Una vez que tengamos todo armado nosotros podremos configurar la temperatura y la humedad que nosotros deseamos en el interior del prototipo mediante la PC el control lo podremos hacer automáticamente o manualmente. El modulo de control tiene tres partes diferenciadas: 1. Adquisición de datos del sensor 2. Visualización de los datos en el LCD; y 3. la activación / desactivación de los actuadores

Inicialización: Lo primero que hace el microcontrolador al volver del reset es configurar sus entradas / salidas, inicializar el LCD, inicializar el bus I2C, inicializar el sensor SHT15 e inicializar el puerto RS232. Una vez inicializado el microcontrolador se entra en un bucle infinito que monitorea continuamente el cual adquiere los datos de humedad y temperatura del prototipo y actúa en consecuencia para mantenerlo dentro de los niveles de temperatura y humedad óptimos.

Adquisición: El SHT15 suministra datos de temperatura y humedad de una vez por segundo.

Actuación: Los valores de temperatura va variando de acuerdo a la edad de los pollos. Como se observa en la tabla1. La humedad va estar dentro de estos rangos 50-70%. 50-70%. Una vez que tenemos la lectura de temperatura y humedad empieza a funcionar de la siguiente manera:

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______________________________ _____________________________________________ ______________________________ _______________________ ________ Para la temperatura: •

Si la temperatura es igual a la temperatura configurada configurada no se activan activan ni la niquelina ni el ventilador.

•

Si la temperatura es mayor a la temperatura configurada se enciende automáticamente los ventiladores de temperatura hasta llevarlo a los valores óptimos de temperatura configurados.

•

Si la temperatura es menor a la configurada se enciende automáticamente la niquelina, hasta acercarse lo máximo posible a los valores óptimos configurados, los ventiladores de de temperatura arrancan con 10% de su velocidad para que el aire caliente circule por todo el prototipo y cuando la temperatura llegue a la requerida los ventiladores van estar funcionando al 100% de su velocidad.

Para la humedad: •

Si la humedad esta dentro de la humedad configurada no se activan ni el calefactor ni el ventilador.

•

Si la humedad es mayor a la configurada se enciende automáticamente los ventiladores de humedad hasta acercarse lo máximo posible a los valores óptimos configurados.

•

Si la temperatura es menor a la configurada se enciende automáticamente la niquelina hasta acercarse lo máximo posible al valor óptimos configurado, los ventiladores de humedad arrancan con 10% de su velocidad para que la humedad circule por todo el prototipo y cuando la humedad llegue a la requerida los ventiladores van estar funcionando al 60% de su velocidad.

La comunicación I2C: Esto nos permite tener un reloj en tiempo real con capacidad para contar segundos, minutos, horas, horas, días, meses, días de la semana, y años.

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______________________________ _____________________________________________ ______________________________ _______________________ ________ Necesita una batería (pila) de 3 voltios para mantener el reloj funcionando cuando se quita la alimentación.

mediante el puerto puerto serial con el Puerto serial: Para la comunicación se lo hace mediante cual vamos a visualizar las variables de temperatura y humedad. Estas variables las vamos a poder controlar mediante la PC ya sea de forma automática o manual de acuerdo al requerido.

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____________________________________________________________________ 3.3 Descripción General

Figura 4. Diagrama general EL SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN Y MONITOREO DE UNA PLANTA AVÍCOLA, esta conformado por dos módulos independientes los cuales son: Modulo de estación remota y modulo de estación de control, que interactúan entre si para lograr el objetivo de implementar un sistema automático de control de temperatura y humedad optima que se debe conservar dentro del galpón. Cada uno de los módulos están conformados por subsistemas que deben cumplir ciertas características mínimas para lograr la funcionalidad del conjunto.

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____________________________________________________________________

El modulo estación de control cuenta con todo el hardware como son: el microcontrolador, el sensor, etc y en el modulo de la estación remota reside en un PC. El software Visual Basic 6.0 para realizar la programación manual o automática y los horarios de temperatura y humedad que debe tener el galpón cada semana. Para que estos módulos puedan interactuar y comunicarse se lo hace mediante el puerto RS232, el cual permite el intercambio de datos. La estación remota esta conformada por 4 salidas digitales que controlan el encendido o apagado de los ventiladores para la temperatura, ventiladores para la humedad humedad, el calefactor para la humedad y la niquelina para le temperatura y otra entrada digital que recibe los datos generados por el sensor SHT15 que supervisa la temperatura y humedad del galpón. La función de supervisión y control se realiza en la estación remota mediante una interfaz RS232 que permite: •

Controlar el encendido o apagado de forma manual o automática los ventiladores tanto para temperatura como para la humedad, el calefactor y la niquelina ya sea mediante la programación de horarios que debe tener el galpón según sea la semana o en cualquier momento a criterio del administrador.

La estación remota, esta diseñada utilizando el programa Visual Basic 6.0 la cual se encarga de recibir datos y enviarlos mediante la interfaz RS232 al microcontrolador ATMEGA 88 donde se procesa la información. El modulo estación de control se implementó con un microcontrolador ATMEGA 88, en el cual se programaron rutinas para la inicialización de variables y periféricos, lectura de datos de entrada, control de encendido y apagado de los ventiladores , el calefactor y la niquelina, verificación de niveles de temperatura y humedad. A partir de estos datos se define la toma de acciones de control y su envío a la estación remota.

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____________________________________________________________________

La verificación de los niveles óptimos de temperatura y humedad se compara con el valor obtenido del sensor; si este valor se encuentra por debajo de los rangos establecidos el modulo de control iniciara el encendido de los ventiladores, el calefactor o la niquelina, según sea el caso, de forma automática este reportara a la estación remota su estado, enviando datos que contienen la medida del sensor SHT15.

3.3.1 Modulo Estación de control:

Figura 5. Diagrama general del hardware Como se muestra en la figura, este modulo se divide varios bloques, cada uno con una tarea especifica que unidas permiten lograr la autonomía y funcionalidad del sistema. A continuación se explica cada uno de los bloques que conforman el modulo de control.

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____________________________________________________________________

3.3.1.1 DESCRIPCIÓN Y MONTAJE DE LOS ELEMENTOS UTILIZADOS EN EL MODULO ESATACION DE CONTROL: 3.3.1.2 Instrucciones de montaje El circuito completo puede considerarse que está formado por diez subsistemas o módulos más simples que pueden ser ensamblados y probados independientemente. De esta forma podemos organizar el montaje en una serie de pasos que nos permitan garantizar que el proceso de ensamblado del circuito completo se realiza correctamente, detectando los errores que pudieran cometerse mediante pruebas intermedias. Los diferentes pasos a seguir se relacionan a continuación:

3.3.1.2.1 Microcontrolador ATMEGA 88 3.3.1.2.2 Circuito del LCD 3.3.1.2.3 Circuito para el manejo de la temperatura y la humedad mediante los reles de estado sólido 3.3.1.2.4 Regulador de tensión 3.3.1.2.5 Circuito para el accionamiento de los ventiladores de humedad y ventiladores de temperatura mediante transistor como interruptor 3.3.1.2.6 Circuito de tiempo real 3.3.1.2.7 Sensor SHT15 3.3.1.2.8 Circuito para obtener una señal DC pura 3.3.1.2.1 Microcontrolador ATMEGA 88 Los microcontroladores se han ido introduciendo en nuestro medio por el avance tecnológico que el país ha alcanzado en los últimos años.

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____________________________________________________________________ Los microcontroladores son dispositivos integrados en un solo chip de entradas salidas las cuales pueden ser programadas según la necesidad.

3.3.1.2.1.1 La arquitectura de un microcontrolador normalmente es la siguiente: •

unidad central de proceso

•

memoria RAM de datos volátil

•

memoria EEPROM de datos no volátil

•

memoria FLASH de programa

•

entradas / salidas

•

puerto serial

•

conversores analógico digital

•

conversores digital analógico

•

temporizadores

•

PWM (modulación de ancho de pulso)

•

RTC reloj en tiempo real

•

SPI

•

I2C

•

USB

•

Y OTROS MANEJADORES DE PERIFERICOS

Existen dos tipos de tecnologías: RISC y CISC. RISC: reducción de instrucciones CISC: instrucciones complejas La tecnología RISC se basa en la arquitectura Harvard, la cual el dato mas la instrucción ingresan en forma paralela al bus de datos. Utilizada en los computadores MAC. La tecnología CISC se basa en la arquitectura Von Neumann, la cual envía el dato luego la instrucción e ingresan al bus de datos en forma serial. Utilizados en los computadores PC. Con lo cual se saca una conclusión importante, que los

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____________________________________________________________________ microcontroladores con arquitectura Harvard serán los más utilizados de hoy en adelante por ser más rápidos en procesar la información.

AT89S51 PIC16F877

ATMEGA16

I/O (Entrada/Salida)

32

33

32

FLASH

4K

8K

16K

RAM

128

368BYTE

1KBYTE

BYTE

EEPROM

ND

256BYTE

512BYTE

PWM

ND

2

4

8 10BITS

8 10BITS

2

2

PRESCALER

PRESCALER

1

1

PRESCALER

PRESCALER

ADC

(conversor

analógico ND

digital) TIMER 8 BITS

ND

PRESCALER TIMER 16 BITS

2

PRESCALER IN CIRCUIT

SI

SI

SI

UART

1

1

1

SPI

ND

1

1

I2C

ND

1

1

CM (Ciclo de maquina)

F/12

F/4

F

1K$

1

4

3

ND: .no dispone F: frecuencia RAM: memoria de escritura y lectura Tabla 3. Característica de algunos microcontroladores utilizados en nuestro medio. Y podríamos innumerar más características para poder decidir el uso del microcontrolador que se adecue a nuestro proyecto.

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____________________________________________________________________

3.3.1.2.1.2. ATMEGA 88 El microcontrolador de 8 bits AVR de tecnología RISC de Atmel es un microcontrolador muy popular. Este microcontrolador es un chip con EPROM, Ram, un conversor Analógico-Digital, unas cuantas entradas y salidas digitales, timers, para comunicación RS 232 y muchas otras cosas. En el Atmega88 no es necesario un cristal. Ya que actualmente el tiene incorporado un oscilador. Se puede usar este oscilador cuando no se necesite un alta precisión de reloj. El microcontrolador Atmega88 de Atmel presenta muchos circuitos digitales y análogos de entrada / salida. Es el dispositivo ideal para desarrollar cualquier clase de equipo de medición.

3.3.1.2.1.3. Descripción del microcontrolador: Parámetros importantes: •

88-Kbyte Memoria de Programa

•

1-Kbyte SRAM

•

512 Bytes EEPROM no volátil

•

6 canales A/D (analógico / digital) de 10 bits

•

Funcionamiento con voltaje de 2.7V (voltaje) hasta 5.5V

•

Velocidad del reloj hasta 20Mhz (Mega hertz)

•

Todas las instrucciones del ciclo de reloj (hasta 20MIPS)

•

Cuatro PWM

•

Puertos de la comunicación SPI, I2C y RS232

31


____________________________________________________________________

3.3.1.2.1.4. Configuración de pines:

Figura 6. Configuración de pines del ATMEGA88

U1 PB1 PB2 DATA SCK SCR2 SCR1 D7 D6 D5 D4 E RS

R11

14 15 16 17 18 19 9 10 23 24 25 26 27 28 1

PB0/ICP

PD0/RXD

PB1/OC1A PB2/SS/OC1B

PD1/TXD PD2/INT0

PB3/MOSI/OC2

PD3/INT1

PB4/MISO

PD4/XCK/T0

PB5/SCK

PD5/T1

PB6/XTAL1/TOSC1

PD6/AIN0

PB7/XTAL2/TOSC2

PD7/AIN1

2 3 4

RXD TXD

5 6 11 12 13

PD5 PD6

PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL PC6/RESET

AVCC AREF

20 21

ATMEGA88 RESET

470K

Figura 7. Esquema del circuito de conexión del microcontrolador 32


____________________________________________________________________

3.3.1.2.2 Circuito del LCD (Display de cristal liquido) de (16x2): Estos dispositivos ya vienen con su pantalla y toda la lógica de control pre programada en la fabrica y lo mejor de todo es que el consumo de corriente es mínimo y no se tendrán que organizar tablas especiales como se hacia anteriormente con los displays de siete segmentos. Cuando se adquiere un display LCD lo primero que se puede observar es su apariencia externa. Éste se compone de una placa de circuito impreso rectangular, de un tamaño similar al del “ display”, sobre la que van soldados el LCD, el controlador y el resto de componentes, formando todo un conjunto compacto. Las aplicaciones de los módulos LCD son infinitas ya que podrán ser aplicados en la informática, comunicaciones, telefonía, instrumentación, robótica, automóviles, equipos industriales, etc. Todo queda a su imaginación la gran cantidad de aplicaciones que tiene un modulo LCD.

Figura 8. Módulo LCD

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____________________________________________________________________

7 6 5 4 D D D D

R

E

S R

10R

6 5 4 3 2 1 0 1 1 1 1 1 1 1 9 8 7

6 5 4

R1

R2

10k

330R

3 2 1

K A 7 6 5 4 3 2 1 0 E W S E D S D D D D D D D D D S R R E V V V

LCD1 LCD

Figura 9. Circuito del LCD(16x2) En la tabla 4. se describe la conexión del puerto del microcontrolador a los pines del LCD:

Puerto Pin LCD PC5

RS

PC4

E

PC3

D4

PC2

D5

PC1

D6

PC0

D7

Tabla 4. conexión del puerto del microcontrolador a los pines del LCD 3.3.1.2.2.1. Pines de conexión: Los pines de conexión de un modulo LCD han sido estandarizados por lo cual en la mayoría de ellos son exactamente iguales siempre y cuando la línea de caracteres no sobrepase los ochenta caracteres por línea. Por otro lado es de suma importancia

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____________________________________________________________________ localizar exactamente cual es el pin Numero 1 ya que en algunos módulos se encuentra hacia la izquierda y en otros módulos se encuentra a la derecha.

Pin N-. Simbología Nivel I/O

Función

1

VSS

-

-

0 Vlts. Tierra ( GND ).

2

VCC

-

-

+ 5 Vlts. DC.

3

Vee = Vc

-

-

Ajuste del Contraste. 0= Escribir en el modulo LCD.

4

RS

0/1

I 1= Leer del modulo LCD 0= Entrada de una Instrucción.

5

R/W

0/1

I 1= Entrada de un dato.

6

E

1

I

Habilitación del modulo LCD

7

DB0

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 1 ( LSB ).

8

DB1

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 2

9

DB2

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 3

10

DB3

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 4

11

DB4

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 5

12

DB5

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 6

13

DB6

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 7

14

DB7

0/1

I/O

BUS DE DATO LINEA 8 (MSB).

15

A

-

-

LED (+) Back Light

16

K

-

-

LED (-) Back Light.

Tabla 5. Descripción de cada uno de los pines del LCD Autor: Mauricio Alberto Orozco Salguero [email protected]

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____________________________________________________________________

3.3.1.2.2.2. Interpretación del significado de los Pines del Modulo LCD El Pin numero 1 y 2 están destinados para conectarle los 5 Voltios que requiere el modulo para su funcionamiento y el Pin numero 3 es utilizado para ajustar el contraste de la pantalla; es decir colocar los caracteres mas oscuros o mas claros para poderse observar mejor.

El Pin numero 4: denominado "RS" trabaja paralelamente al Bus de datos del modulo LCD ( Bus de datos son los Pines del 7 al 14 ). Este bus es utilizado de dos maneras, ya que usted podrá colocar un dato que representa una instrucción o podrá colocar un dato que tan solo representa un símbolo o un carácter alfa numérico; pero para que el modulo LCD pueda entender la diferencia entre un dato o una instrucción se utiliza el Pin Numero 4 para tal fin. Si el Pin numero 4 = 0 le dirá al modulo LCD que esta presente en el bus de datos una instrucción, por el contrario, si el Pin numero 4 = 1 le dirá al modulo LCD que esta presente un símbolo o un carácter alfa numérico.

El Pin numero 5: denominado "R/W" trabaja paralelamente al Bus de datos del modulo LCD ( Bus de datos son los Pines del 7 al 14 ). También es utilizado de dos maneras, ya que usted podrá decirle al modulo LCD que escriba en pantalla el dato que esta presente en el Bus; por otro lado también podrá leer que dato esta presente en el Bus. Si el Pin numero 5 = 0 el modulo LCD escribe en pantalla el dato que esta presente el Bus; pero si el Pin numero 5 = 1 significa que usted necesita leer el dato que esta presente el bus del modulo LCD.

El Pin numero 6: denominado "E" que significa habilitación del modulo LCD tiene una finalidad básica: conectar y desconectar el modulo. Esta desconexión no estará referida al voltaje que le suministra la corriente al modulo; la desconexión significa tan solo que se hará caso omiso a todo lo que este presente en el bus de datos de dicho modulo LCD.

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____________________________________________________________________

En la mayoría de los circuitos electrónicos modernos que incluyan elementos electrónicos como Microcontroladores, Memorias y Módulos LCD, utilizan el mismo bus de datos. Esto es para no tener un bus de datos independientemente por cada elemento electrónico, esto implicaría que los circuitos electrónicos sean mucho mas grandes por la cantidad de conexiones necesaria a cada uno de los elementos. Ahora como los Microcontroladores, memorias y módulos LCD utilizan el mismo bus de datos, deberá existir en cada uno de ellos un Pin de habilitación "E" que permita desconectar y conectar cuando sea necesario. Por ejemplo si usted necesita trabajar con la memoria RAM para obtener o escribir cierta información, será necesario que deshabilite el modulo LCD para que no presente basura en la pantalla, o se ejecuten instrucciones no deseadas.

Los Pines desde el numero 7 hasta el numero 14 representan 8 líneas que se utilizan para colocar el dato que representa una instrucción para el modulo LCD o un carácter alfa numérico. El Bus de datos es de 8 Bits de longitud y el Bit menos significativo esta representado en el Pin numero 7, el Pin mas significativo esta representado en el Pin numero 14

Los Pines 15 y 16: estarán destinados para suministrar la corriente al Back Light. Es importante conocer que no todos los módulos LCD disponen del Back Light aunque tenga los pines de conexión en el circuito impreso.

3.3.1.2.3 Circuito para el manejo de la temperatura y la humedad mediante los reles de estado sólido: Mediante el siguiente circuito vamos a dar la señal a los reles de estado sólido para que estos manejen cargas que funcionen con 120V de la red eléctrica. Las cargas que utilizamos son: 2 calefactores para la humedad de 500W y 1 niquelina para la temperatura de 600W.

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____________________________________________________________________

J7 HUMEDAD

D7

1 2

SCR1 LED-RED

J9 TEMPERATURA

D8

1 2

SCR2 LED-RED

Figura 10. Circuito para el manejo de la temperatura y la humedad Puerto Salidas a los reles PB7

SCR1 (rele de control de humedad)

PB6

SCR2 (rele de control de temperatura)

Tabla 6. Puertos y señales de salidas de los reles La señal digital a SCR1 proveniente del puerto PB7 y la otra señal digital SCR2 proviene del puerto PB6 del microcontrolador. Estas señales es limitada en corriente y aplicada al cátodo del LED. El microcontrolador envía una señal ON/OFF a los reles de estado sólido y estos a su vez encienden las niquelinas. Un relé es un sistema mediante el cuál se puede controlar una potencia mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido.

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____________________________________________________________________

Existen diferentes tipos de reles pero el que utilizamos es el relé de estado sólido.

3.3.1.2.3.1. Estructura de un relé

Figura 11. Estructura de un relé Autor: Ciencias Místicas - http://www.cienciasmisticas.com.ar/ - El sitio de electrónica, informática y tecnología Circuito de entrada, control o excitación. •

Circuito de acoplamiento.

•

Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por: - circuito excitador. - dispositivo conmutador de frecuencia. - protecciones.

3.3.1.2.3.2. Características generales Las características generales de cualquier relé son: •

El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.

•

Adaptación sencilla a la fuente de control.

•

Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida.

•

Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por:

-En estado abierto, alta impedancia. - En estado cerrado, baja impedancia. 39


____________________________________________________________________ Para los relés de estado sólido se pueden añadir : •

Gran número de conmutaciones y larga vida útil.

•

Conexión en el paso de tensión por cero, desconexión en el paso de intensidad por cero.

•

Ausencia de ruido mecánico de conmutación.

•

Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS.

•

insensibilidad a las sacudidas y a los golpes.

•

Cerrado a las influencias exteriores por un recubrimiento plástico.

3.3.1.2.3.3. Relés de estado sólido Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito electrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR se entenderá un producto construido y comprobado en una fábrica, no un dispositivo formado por componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito impreso. Estructura del SSR: •

Circuito de Entrada o de Control: Control por tensión continua: el circuito de entrada suele ser un LED ( Fotodiodo), solo o con una resistencia en serie, también podemos encontrarlo con un diodo en antiparalelo para evitar la inversión de la polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL, CMOS, y otros valores normalizados ( 12V, 24V, etc.). Control por tensión Alterna: El circuito de entrada suele ser como el anterior incorporando un puente rectificador integrado y una fuente de corriente continua para polarizar el diodo LED.

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____________________________________________________________________

•

Acoplamiento. El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un optoacoplador o por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma magnética con el circuito de disparo del Triac.

•

Circuito de Conmutación o de salida. El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su correspondiente circuito excitador. Este circuito será diferente según queramos conmutar CC, CA.

3.3.1.2.4 Regulador de tensión:

Toda la electrónica del prototipo precisa ser alimentada a 5 voltios. La línea de reguladores ideales para este tipo de necesidades es la conocida como LM7805. La tensión se observa en la siguiente tabla:

Número

Tensión de salida

LM7805

5 Voltios

Tabla 7. Tensión de salida del LM7805 Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, una corresponde a la entrada de tensión no regulada, otra es la salida regulada y la restante es la masa común a ambas. Se conectará según el esquema adjunto. Comenzar el montaje con los bornes, luego se montarán los condensadores C6 y C12 que se halla a la entrada del regulador, estos capacitores filtran la tensión de posibles transitorios y picos indeseables, y los

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____________________________________________________________________ capacitores que se encuentran a la salida C5 y C7, disminuyen la tensión de rizado de salida, a la vez que evita oscilaciones.

VCC+

J6 1 2 +5V 12V

U4 7805 1

C12

C6

10u

100n

VI

VO

3

D N G 2

C5

C7

100n

10u

Figura 12. Esquema de conexión del regulador de tensión En ningún caso deberemos conectar las líneas de alimentación del micro, ya que primero deberá probarse el correcto funcionamiento del regulador. Para todas las pruebas iniciales es recomendable utilizar una fuente que permita limitar la corriente de salida. Se puede limitar la corriente máxima a 150 mA (mili amperio). (máximo 200 mA.). En caso de no disponer de una fuente de estas características se deberá colocar un fusible de entre 150 y 200 mA en la entrada de alimentación, siendo recomendable dejarlo de forma permanente, de este modo, en caso de producirse un cortocircuito accidental el prototipo estará protegido siempre.

3.3.1.2.5 Circuito para el accionamiento de los ventiladores de humedad y ventiladores de temperatura mediante transistor como interruptor: La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte ( es un interruptor abierto) cuando:

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____________________________________________________________________

corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0) o en saturación (interruptor cerrado) cuando: corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima) Mediante los transistores vamos a activar o desactivar a los ventiladores de humedad o de temperatura según sea el caso. La señal que envía el microcontrolador es una señal PWM (modulación de ancho de pulso) con lo cual vamos a controlar la velocidad de los ventiladores. Como la carga es inductiva al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la "patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante (D1, D2).

+ C C V

+ C C V

J3

J4

1

D1 1N4007

R3 PB1

D2

2

1N4007

1 2

VENT HUMEDAD

VENT T EMPE

Q1 TIP122

R4 PB2

10k

Q2 TIP122

10k

Figura 13. Circuito para el accionamiento de los ventiladores de humedad y ventiladores de temperatura

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____________________________________________________________________

Puerto

Función

PORTB1 (PWM1) Control del ventilador de temperatura PORTB2 (PWM2) Control del ventilador de humedad

Tabla 8. Puertos y función el accionamiento de los ventiladores de humedad y ventiladores de temperatura

3.3.1.2.6 CIRCUITO EN TIEMPO REAL (RTC): El RTC es el dispositivo usado en el modulo de control con el fin de dar la fecha y la hora por medio del LCD. Para el RTC se empleo el modelo DS1307 de Dallas Semiconductor:

3.3.1.2.6.1.CARACTERÍSTICAS DEL DS1307 :

•

Reloj en tiempo real con capacidad para contar segundos, minutos, horas, días, meses, días de la semana, y años.

•

Necesita un cristal de cuarzo de 32.768KHz para que el oscilador interno genere la temporización adecuada.

•

Necesita una batería (pila) de 3 voltios para mantener el reloj funcionando cuando se quita la alimentación.

•

Dispone de 56 bytes de memoria RAM interna no volátil (mantenida con la batería).

•

Configuración, lectura y escritura mediante conexión serie I2C

•

Rango de temperatura: -40°C a +85°C

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____________________________________________________________________

Figura 14. Grafico de distribución de pines del DS1307 Autor: www.maxim-ic.com 3.3.1.2.6.2.DESCRIPCIÓN DE LOS PINES DEL DS1307: •

VCC (voltaje continuo) +5V

•

X1, X2 - Conexión de cristal 32.768kHz

•

VBAT - +3V Entrada de la Batería

•

GND - Tierra

•

SDA – Datos seriales

•

SCL – señal de reloj

•

SQW/OUT – Señal de salida Cuadrada

D4 X1

LED-RED

CRYSTAL

U10 1 2 3

2

4

BATT1 1

BATT

R6

R7

R8

10k

10k

330R

X1

VDD

X2

SQW

VBAT

SCL

VSS

SDA

DS1307

8 7 6 5

R10 PD5 330R

R9 PD6 330R

Figura 15. Circuito en tiempo real

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____________________________________________________________________

La programación y lectura de datos del tiempo real, se encuentra implementada con el protocolo I2C, a través de 2 puertos I/O del microcontrolador. Los puertos y señales del tiempo real que permiten la implementación del protocolo I2C se muestran a continuación:

Puerto

Función

PORTD5 SCL (Entrada de señal de reloj) PORTD6 SDA (Datos seriales de entrada / salida)

Tabla 9. Puertos y señales tiempo real Las señales SDA y SCL transportan información entre los dispositivos. Las señales SDA

y SCL son bidireccionales, conectadas al positivo de la

alimentación a través de las resistencias de pull-up. Cuando el bus está libre, ambas líneas están en nivel alto.

3.3.1.2.7. SENSOR SHT15: El SHT15 con sensor de humedad digital y el sensor de temperatura es totalmente calibrado y ofrece precisión alta y excelente estabilidad a bajo costo. La Tecnología de CMOSens® digital integra dos sensores y circuitería en un solo chip.

3.3.1.2.7.1. DESCRIPCIÓN: Es un sensor integrado de humedad calibrado en fábrica con salida digital mediante un bus serie sìncrono y protocolo especifico. El dispositivo también dispone de un sensor de Temperatura integrado para compensar la medida de humedad dependiendo de la temperatura, en casos extremos. Cuenta también en su interior con un calefactor para evitar condensación en el interior de la cápsula de medida para condiciones de niebla o similar donde existe condensación. Su tamaño diminuto y bajo el consumo de poder le hace la última opción para incluso las aplicaciones más exigentes. 46


____________________________________________________________________

3.3.1.2.7.2. CARACTERÍSTICAS: •

Rango de temperatura: -40 ºC a +123,8 ºC.

•

Precisión de temperatura: +/- 0,5 ºC @ 25 ºC.

•

Rango de humedad: 0 a 100% RH.

•

Precisión de RH absoluto: +/- 3,5% RH.

•

Consumo de baja potencia: Típicamente 30uW 8micro watio)

•

Costo bajo

•

Sensor de alta precisión y al costo bajo

3.3.1.2.7.3. APLICACIONES:

•

Estaciones meteorológicas portátiles

•

Transmisores

•

Automatización y control de procesos

•

Control de edificios y aire Condicionado

•

Humidificadores y Deshumidificadores

•

Medición

•

Medicina

Tipo sensor

SHT15

de Precisión

de Precisión

humedad

temperatura

(%RH)

( OC )

+/- 2.0

+/-0.4 @ 5-40 °C

de Paquete

SMD

(Dispositivo

de

montaje superficial)

Tabla 10. Especificaciones del sensor Fuente: www.sensirion.com

47


____________________________________________________________________ Parámetros

Min. Máx. Unidades

Humedad Rango

0

100

%RH

-40

123.8 oC

Temperatura Rango

Tabla 11.Parámetros del sensor Fuente: www.sensirion.com

Figura 16. Diagrama de bloque del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com 3.3.1.2.7.4. ESPECIFICACIONES DE INTERFASE:

Figura 17. Especificaciones de interfase del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com

48


____________________________________________________________________

Este sensor se comunica con el microcontrolador o master a través de una línea de datos y otra de reloj. Como limitación tiene el que no se le pueden pedir datos más de tres veces por segundo para evitar que se caliente y falsee las mediciones.

3.3.1.2.7.5. PIN DE POLARIZACIÓN: El SHT15 requiere un suministro de voltaje entre 2.4 y 5.5 Voltios. Después de polarizar el dispositivo necesita 11ms para localizar su estado. Ningún orden debe enviarse antes de ese tiempo.

3.3.1.2.7.6. Interfase de serie (Bidireccional): La interfase de serie del SHT15 se perfecciona para el sensor, no es compatible con las interfaces I2C.

3.3.1.2.7.7. ENTRADA SERIAL DE RELOJ (SCK): El SCK sirve para sincronizar la comunicación entre un microcontrolador y el sensor. Dado que la interfase consiste en lógica totalmente estática no hay ningún SCK mínimo de frecuencia.

3.3.1.2.7.8. DATOS DE SERIE (DATOS): El pin DATA corresponde a la salida/entrada de datos para comandar y leer el sensor es un pin triestado por lo que necesita de una resistencia de polarización a Vcc (pushup) sin esta resistencia la medida que realiza el sensor es errónea. SCK se utiliza para sincronizar la transmisión y no dispone de frecuencia mínima.

3.3.1.2.7.9. TRANSMISIÓN START: Para comunicarse con el SHT15 lo primero que hay que hacer es mandar una secuencia de Inicio de Transmisión "Transmission Start". Esta consiste en poner a cero lógico la línea de datos mientras SCK esta a uno, seguidamente se genera un pulso bajo en SCK mientras la línea DATA sigue a cero y para finalizar se pone a 1 DATA mientras SCK esta a 1, seguidamente se baja a cero también SCK y finaliza la 49


____________________________________________________________________

secuencia dejando la línea de datos y Clock en los estados lógicos por defecto, DATA en estado alto y SCK en estado bajo.

Figura 18. Inicio de transmisión del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com Lo siguiente será mandar un comando de los siguientes que acepta:

Comando

Código binario

Reservado

0000x

Medida de Temperatura

00011

Medida de Humedad

00101

Leer el registro de estado interno

00111

Escribir el registro de estado interno

00110

Reservado

0101x-1110x

Generar un Reset al software interno, 11110 reponiendo a los valores por defecto el registro de estado. Hay que esperar 11mS al menos después de mandar este comando.

Tabla 12. Comandos y códigos binarios del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com El protocolo de transmisión de comandos esta basado en un byte completo o lo que es lo mismo 8 bits, como los comandos son de 5 bits tan solo el resto de bits a la

50


____________________________________________________________________

izquierda siempre serán 0. Por lo que se mandaran primero los 3 ceros seguido del comando para completar el byte. El SHT15 indicará una recepción valida con un pulso de ACK en la línea de datos que es bidireccional (no lo olvidemos) y lo hará en el siguiente pulso de CLK después de haber completado los 8 bits del comando, por lo tanto acto seguido después de enviar el comando hay que configurar como entrada el puerto del microcontrolador conectado a DATA del SHT15 y generar una señal de CLOCK para que el sensor nos mande su respuesta ACK y lo hará poniendo la línea a nivel bajo ya que como se dijo mas arriba la línea de datos esta polarizada a VCC por lo tanto siempre hay un 1 lógico en ella y lo que hace el SHT15 es forzar a 0 lógico con su salida a colector abierto.

3.3.1.2.7.10. SECUENCIA DE MEDIDA: Suponiendo que ya sabemos mandar un comando y por ejemplo hemos mandando un comando "00000101" correspondiente a "Medida de Humedad", una vez recibido el ACK desde el sensor hay que esperar a que este complete la adquisición y nos entregue su medida, esto suele tardar unos 55mS para una resolución de salida de 12bits o bien, unos 11mS para una resolución de 8 bits. Como este tiempo de adquisición no es muy exacto y puede variar dependiendo de la alimentación del sensor, y por lo tanto de su oscilador interno. Para evitar esperas innecesarias el sensor genera un pulso bajo en la línea de datos y así se sabe que lo siguiente ya serán datos validos, esto se hace comprobando la línea de datos cada x tiempo hasta que esta pase a nivel bajo. Si es nivel alto aun no a acabado y cuando recibamos un nivel bajo será la indicación de adquisición completada y pasaremos a leer la medida del sensor. Ahora se generan 8 pulsos de reloj en la línea CLK y se guarda el estado de cada bit que nos retornara el sensor. La trama que retorna el sensor se compone de 3 bytes, el primero corresponde a MSB el segundo a LSB y el tercero es el CRC-8 Checksum para comprobar que el dato a llegado correcto, pero lo podemos ignorar generando NACK después de la llegada del segundo byte (LSB). Como puede observarse el 51


____________________________________________________________________

dato de la medida se compone de 2 bytes aunque como mucho el dato valido será de 12 bits de resolución, pero aunque configuremos el sensor para una resolución de 8 bits.. siempre leeremos 2 bytes ignorando el MSB en este caso. Después de cada 8 bits recibidos el microcontrolador a de generar un ACK para que el sensor sepa que ya a recibido los datos. Esto se hace generando un flanco de subida en CLK mientras DATA esta a nivel bajo. Después de esto se continua con la lectura de otro byte. Para acabar la trama se genera desde el microcontrolador un NACK (NoACK) esto es lo mismo que el ACK pero en vez de mantener la línea DATA a nivel bajo la tendremos que poner a 1 generando mientras esto pasa un flanco de subida en CLK igual que antes.

Figura 19. Secuencia de medida del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com El sensor admite unas dos adquisiciones o medidas por segundo por lo que no se debe forzar la lectura con refrescos superiores a este, y ni que decir que una medida de este tipo no necesita un refresco tan elevado.. lo normal seria una medida cada 5 o 10 segundos o mas incluso.

52


____________________________________________________________________

3.3.1.2.7.11. CONVERSIÓN DE LAS SALIDAS A VALORES FÍSICOS: 3.3.1.2.7.11.1. HUMEDAD RELATIVA Para compensar la no linealidad del sensor de humedad y para obtener la exactitud de la salida se recomienda utilizar la siguiente formula:

RHlinear = C1+C2*SORH+C3*SORH2 SORH

C1

C2

C3

12 bit

-4

0.0405

-2.8*10 -6

Tabla 13. Coeficientes de conversión de humedad Fuente: www.sensirion.com El sensor de humedad no depende del voltaje.

Compensación depende de RH / Temperatura Para temperaturas significativamente diferente de 25°C el coeficiente de temperatura del sensor de RH debe ser considerado:

RHtrue = (T0C – 25)*(t 1+t2*SORH)+RHlinear SORH

t1

t2

12 bit

0.01

0.00008

Tabla 14. Coeficientes de compensación de temperatura Fuente: www.sensirion.com Esto equivale a: ~0.12 %RH / °C @ 50 %RH

53


____________________________________________________________________

3.3.1.2.7.11.2. TEMPERATURA: Para obtener la exactitud de la salida del sensor de temperatura se recomienda utilizar la siguiente formula:

Temperatura = d1+d2*SOT SOT d2(0C) d2(0f)

VDD d1(0C) d1(0f) 5V

-40.00 -40.00

Tabla 15.

14bit 0.01

0.018

Coeficientes de

conversión de temperatura.Fuente: www.sensirion.com 3.3.1.2.7.12. DESCRIPCIÓN DE PINES DEL SENSOR SHT15:

Figura 20. Descripción de pines del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com

54


____________________________________________________________________

R20

J5

470K 1 2 3

DATA

4

SCK

5 SENSOR SHT15

Figura 21. Circuito del SHT 15 Pin Nombre Color

Comentario

1

GND

Negro

Tierra

2

DATA

Rojo

Datos serial, bidireccional

3

SCK

Amarillo Entrada de señal de reloj

4

VDD

Blanco

Voltaje 5V

5

NC

Rojo

NC (no conexión)

Tabla 16. Descripción de cada uno de los pines del sensor SHT15 Fuente: www.sensirion.com

Puerto

Función

PORTB4 DATA PORTB5 SCK

Tabla 17. Puertos y señales del sensor SHT15

55


____________________________________________________________________

3.3.1.2.8 CIRCUITO PARA OBTENER UNA SEÑAL DC PURA: Se pone condensadores de baja capacitancia en los circuitos integrados tanto en positivo como en el negativo para obtener una DC pura.

C19

C8

C13

C15

C16

C18

10u

10u

10u

100n

100n

100n

Figura 22. Circuito para obtener una señal DC pura

56


____________________________________________________________________

3.3.2 MODULO ESTACION REMOTA:

Figura 23. Diagrama en bloques del modulo Estación Remota

La estación remota es encargado de controlar el la humedad y la temperatura del galpón. En la estación remota reside el software de aplicación encargado en enviar y recibir datos al modulo de control.

3.3.2.1 MODULO DE SOFTWARE: El software de aplicación tenemos:

Interfaz de programación: Es la parte del software de aplicación que consta de una interfaz simple y versátil que le permite al operador introducir datos de programación de temperatura y humedad a distintas semanas, para posteriormente ser enviados al modulo de control y de esta forma dar inicio a la ejecución de este.

57


____________________________________________________________________ 3.3.3. COMUNICACIÓN SERIAL: El puerto serial de las computadoras es conocido como puerto RS-232, la ventaja de este puerto es que todas las computadoras traen al menos un puerto serial, este permite la comunicaciones entre otros dispositivos tales como otra computadora, el mouse, impresora y para nuestro caso con los microcontroladores. Existen dos formas de intercambiar información binaria: la paralela y la serial. La comunicación paralela transmite todos los bits de un dato de manera simultánea, por lo tanto la velocidad de transferencia es rápida, sin embargo tiene la desventaja de utilizar una gran cantidad de líneas, por lo tanto se vuelve mas costoso y tiene las desventaja de atenuarse a grandes distancias, por la capacitancia entre conductores así como sus parámetros distribuidos.

3.3.3.1. LA NORMA RS-232 La EIA (Electronics Industry Association) elaboro la norma RS-232, la cual define la interfase mecánica, los pines, las señales y los protocolos que debe cumplir la comunicación serial Todas las normas RS-232 cumplen con los siguientes niveles: - Un “1” lógico es un voltaje comprendido entre –5v y –15 v en el transmisor y

entre -3v y –25v en el receptor. - Un “0” lógico es un voltaje comprendido entre +5v y +15 v en el trasmisor y

entre +3v y +25 v en el receptor. El envío de niveles lógicos (bits) a través de cables o líneas de transmisión necesita la conversión a voltajes apropiados. En los microcontroladores para representar un 0 lógico se trabaja con voltajes inferiores a 0.8v, y para un 1 lógico con voltajes mayores a 2.0V. En general cuando se trabaja con familias TTL y CMOS se asume que un “0” lógico es igual a cero Voltios y un “1” lógico es igual a cinco Voltios.

58


____________________________________________________________________ 3.3.3.2. CONEXIÓN DE UN MICROCONTROLADOR AL PUERTO SERIAL DEL PC. Para conectar el PC a un microcontrolador por el puerto serial se utilizan las señales Tx, Rx y GND. El PC utiliza la norma RS232, por lo que los niveles de tensión de los pines están comprendidos entre +15 y -15 voltios. Los microcontroladores normalmente trabajan con niveles TTL (0-5v). Es necesario por tanto intercalar un circuito que adapte los niveles:

Figura 24. Conexión de un microcontrolador al puerto serial del PC.

3.3.3.3. CONECTOR DB9 DEL PC En los PCs hay conectores DB9 macho , de 9 pines, por el que se conectan los dispositivos al puerto serie. Los conectores hembra que se enchufan tienen una colocación de pines diferente, de manera que se conectan el pin 1 del macho con el pin 1 del hembra, el pin2 con el 2, etc...

59


____________________________________________________________________

Figura 25.Conectores DB9 hembra y macho Número de pin

Señal

Pines que utilizamos

1

DCD (Data Carrier Detect)

NO

2

RX (Recepción)

SI

3

TX (Transmisión)

SI

DTR (Data Terminal

NO

4

Ready)

5

GND (tierra)

SI

6

DSR (Data Sheet Ready)

NO

7

RTS (Request To Send)

NO

8

CTS (Clear To Send)

NO

9

RI (Ring Indicator)

NO

Tabla 18. Información de cada uno de los pines del DB9 3.3.3.4. El Chip Max 232 Este chip permite adaptar los niveles RS232 y TTL, permitiendo conectar un PC con un microcontrolador. Sólo es necesario este chip y 4 condensadores

electrolíticos de 10 micro faradios. El esquema del circuito es el siguiente:

60


____________________________________________________________________

J1 1

C2

6 2 7

10u

3 8

1

U2

3

4 9

C1+ TXD RXD

11 12 10 9

5

C1-

T1IN

T1OUT

R1OUT

R1IN

T2IN

T2OUT

R2OUT

R2IN VS+ VS-

14

CONN-D9F

13 7 8

C1

2 6 10u

C2+

C2-

4

5

C4 MAX232

C3 10u 10u

Figura 26. Circuito de conexión del MAX232

PUERTO PIN DEL MAX232 PD0/RXD 12 (R1 OUT) PD1/TXD 11 (T1 IN)

Tabla 19. Puertos del micro y pines de conexión al Max 232

61


____________________________________________________________________

3.3.4. BUS I2C: I²C es un bus de comunicaciones serie. Su nombre viene de Inter-Integrated Circuit (Circuitos Inter-Integrados). La velocidad es de 100Kbits por segundo en el modo estándar. Es un bus muy usado en la industria, principalmente para comunicar microcontroladores y sus periféricos en sistemas empotrados ( Embedded Systems). La principal característica de I²C es que sólo usa dos hilos para transmitir la información: por uno van los datos y por otro la señal de reloj que sirve para sincronizarlos. También es necesaria una tercera línea, pero esta sólo es la referencia (masa). Las líneas se llaman: •

SDA: datos

•

SCL: reloj

•

GND: masa

Las dos primeras líneas son drenador abierto, por lo que necesitan resistencias de pull-up. Los dispositivos conectados al bus I²C tienen una dirección única para cada uno. También pueden ser maestros o esclavos. El dispositivo maestro inicia la transferencia de datos y además genera la señal de reloj, pero no es necesario que el maestro sea siempre el mismo dispositivo, esta característica se la pueden ir pasando

los dispositivos que tengan esa capacidad.

3.3.3.4.1. LAS CARACTERÍSTICAS MÁS SALIENTES DEL BUS I2C SON: •

Se necesitan solamente dos líneas, la de datos (SDA) y la de reloj (SCL).

•

Cada dispositivo conectado al bus tiene un código de dirección seleccionable mediante software. Habiendo permanentemente una relación Maestro/ Esclavo entre el micro y los dispositivos conectados

•

El bus permite la conexión de varios Maestros, ya que incluye un detector de colisiones.

62

Pag 49 Sensor SHT15

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