instituto tecnolÓgico de salina cruz · 3.2.4 justificar el desarrollo del proyecto. ... 1.1...
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Tecnológico Nacional de México
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ
MONOGRAFÍA
INTERFAZ GRAFICA PARA EL MONITOREO DE VARIABLES EN
EL MODULO SOLAR ET-250
PRESENTA:
GUTIERREZ SÁNCHEZ ALEXIA
OCEJO LUIS CARLOS JESUS
SEMESTRE: VII° GRUPO: C
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
DOCENTE:
M. EN C. SUSANA MÓNICA ROMÁN NÁJERA
SALINA CRUZ, OAXACA A NOVIEMBRE DEL 2015
ÍNDICE
Capítulo I Generalidades ......................................................................................... 2
1.1 EFICIENCIA ESCOLAR ................................................................................ 3
1.2 ENERGIA ...................................................................................................... 4
1.2.1 Energía solar .......................................................................................... 5
1.2.2. Energía solar fotovoltaica .................................................................... 6
1.3 LA CÉLULA SOLAR .......................................................................................... 6
1.3.1 ¿Qué es un panel solar y cómo funciona? ................................................. 7
1.4 MODULO SOLAR ET- 250 ................................................................................ 8
1.4.1 Datos técnicos del panel solar ET-250 .............................................. 10
Capítulo II LabVIEW® - Arduino® ......................................................................... 13
13
2.1. INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO (GUI) .................................................... 14
2.2. ¿QUÉ ES LA ADQUISICIÓN DE DATOS? .................................................... 15
2.2.1. ¿Qué es un sensor? ........................................................................... 15
2.2.2. ¿Qué es un dispositivo DAQ? ........................................................... 16
2.3. SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW® ................... 18
2.3.1 Características principales ................................................................. 19
2.3.2. Programa en LabVIEW® .................................................................... 21
2.4. ARDUINO ....................................................................................................... 28
2.5. LABVIEW® +ARDUINO® ............................................................................... 30
2.5.1 Razones para utilizar Arduino®+LabVIEW® ................................. 30
Capítulo III Diseño ................................................................................................. 33
3.1. UBICACIÓN .................................................................................................... 34
3.2. PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES ...................... 35
3.2.1 Recopilación de información ............................................................. 36
3.2.2 Análisis del problema ......................................................................... 36
3.2.3 Identificar posibles soluciones. ......................................................... 37
3.2.3 Establecer lo que se utilizara para resolver el problema. ................ 38
3.2.4 Justificar el desarrollo del proyecto. ................................................. 39
1
3.2.5 Presupuesto ......................................................................................... 39
3.3 MONITOREO DE VARIABLES DE UN PANEL SOLAR .................................. 41
3.4 INTERFAZ GRÁFICA ...................................................................................... 43
CONCLUSIONES .................................................................................................. 47
BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................... 48
ANEXOS ............................................................................................................... 50
ÍNDICE DE FIGURAS
1.1 Electrones excitados al contacto de los rayos de luz ........................................ 6
1.2 Modulo solar ET- 250 ........................................................................................ 9
1.3 Especificaciones del equipo ............................................................................ 10
1.4 Unidad de medición ......................................................................................... 11
2.1 Partes de un sistema DAQ .............................................................................. 14
2.2 Sensor ............................................................................................................. 14
2.3 Dispositivo DAQ .............................................................................................. 15
2.4 Panel frontal y diagrama a bloques ................................................................. 22
2.5 Opciones del panel en LabVIEW® .................................................................. 23
2.6 Paleta de herramientas ................................................................................... 24
2.7 Paleta de controles .......................................................................................... 25
2.8 Paleta de funciones ......................................................................................... 26
2.9 Visualización de datos en el panel frontal ....................................................... 30
2.10 Programacion gráfica en el diagrama a bloques ........................................... 30
3.1 Macro-localización del Tecnológico de Salina Cruz ........................................ 33
3.2 Vista aerea del Tecnológico de Salina Cruz .................................................... 34
3.3 Modulosensor de temperatura LM35D ............................................................ 40
3.4 Modulo Solar analogico de luz ambiental ........................................................ 40
3.5 Modulo sensor de voltaje................................................................................. 41
3.6 Modulo sensor de corriente ............................................................................. 42
3.7 Panel de inicio ................................................................................................. 42
3.8 Panel de amperaje .......................................................................................... 43
3.9 Panel de voltaje ............................................................................................... 43
3.10 Panel de temperatura .................................................................................... 44
3.11 Panel de luminosidad .................................................................................... 44
3.12 Diagrama a bloques de la interfaz ................................................................. 45
1
INTRODUCCIÓN
La interfaz gráfica para el monitoreo de variables en un panel solar, pretende ayudar
a los jóvenes de las diferentes ingenierías ofertadas en el Instituto Tecnológico de
Salina Cruz en un mejor estudio, aprovechamiento y por supuesto también en la
elaboración de proyectos de acuerdo a las materias expuestas en los diferentes
semestres.
El equipo de medición en módulos solares ET-250 adquirido por la institución no
ofrece un monitoreo dinámico y explícito, por lo que se decidió diseñar e
implementar una interfaz gráfica que sea versátil y simple para el fácil manejo y
entendimiento por los usuarios.
“Interfaz gráfica para el monitoreo de variables en el panel solar ET-250” es un
proyecto, innovador y entusiasta capaz de hacer las mediciones y lecturas de
sensores en conjunto con el procesamiento de señales adquiridas por el circuito
ARDUINO® y con la magnífica comunicación con el software LabVIEW®. Gracias
a esto podemos obtener de manera gráfica y sencilla datos que pueden ayudar al
crecimiento de los conocimientos por el alumnado.
La característica principal de esta interfaz es el mejor entendimiento en la recepción
de los datos arrojados por los sensores de temperatura, intensidad luminosa,
corriente y voltaje instalados en el módulo solar ET-250.
2
Capítulo I Generalidades
3
1.1 EFICIENCIA ESCOLAR
La eficacia y eficiencia son dos atributos básicos de la educación de calidad para
todos que han de representar las preocupaciones centrales de la acción pública en
el terreno de la educación.
La eficiencia se pregunta por el costo con que dichos objetivos son alcanzados. Por
lo tanto, es definida con relación al financiamiento destinado a la educación, la
responsabilidad en el uso de éste, los modelos de gestión institucional y de uso de
los recursos. Compromete un atributo central de la acción pública: que se ejecute
honrando los recursos que la sociedad destina para tal fin, por lo que la obligación
de ser eficiente toca a la garantía de un derecho ciudadano clave. Desde esta
perspectiva, la eficiencia no es un imperativo economicista, sino una obligación
derivada del respeto a la condición y derechos ciudadanos de todas las personas.
Eficacia implica analizar en qué medida se logran o no garantizar, en términos de
metas, los principios de equidad, relevancia y pertinencia de la educación, mientras
que la eficiencia se refiere a cómo la acción pública asigna a la educación los
recursos necesarios y si los distribuye y utiliza de manera adecuada
Existe una importante interacción entre las dimensiones de la eficacia y la eficiencia,
ya que los problemas de la primera impactan negativamente sobre la capacidad
para asegurar algunas metas básicas. Las dificultades expresadas en los
problemas de operación del sistema (referidas al no logro de metas e ineficiencias)
se distribuyen de diferente manera entre los diversos grupos poblacionales,
reproduciendo patrones de desigualdad, exclusión y marginación social que, en
último término, definen una operación inequitativa de los sistemas educativos.
Desde esta perspectiva, evaluar la calidad de la educación exige un enfoque global
e integral, en el que la valoración de sus diferentes componentes esté
interrelacionada y se alimente mutuamente. De esta forma, una evaluación desde
este enfoque implica hacer un juicio de valor sobre cómo se desarrolla, y qué
resultados genera, el conjunto del sistema y sus componentes; es decir, desde la
estructura, organización y financiamiento, el currículo y su desarrollo, el
4
funcionamiento de las escuelas, el desempeño de los docentes y lo que aprenden
los estudiantes en el aula y sus consecuencias en el acceso a oportunidades futuras
y movilidad social.
Debemos de tomar en cuenta que el desarrollo del docente repercute directamente
en el aprendizaje de los estudiantes, otro de los factores fundamentales y de gran
importancia son los recursos implantados en cada una de las instituciones
educativas del país.
Toda aquella institución carente de recursos, materiales y herramientas para los
alumnos es realmente preocupante ya que de esta manera los alumnos carecen de
experiencia práctica para desenvolverse libremente en el entorno laboral.
1.2 ENERGIA
La generación, transformación, transporte y uso eficiente de la energía son fases
de nuestro manejo de energía. Muchas soluciones innovadoras del área de la
eficiencia energética se basan en visiones interdisciplinarias que, en parte, se
diferencian claramente de la estructuración clásica de las especialidades
implicadas.
En las energías renovables, la mayor proporción aprovechada hasta ahora se basa
directa o indirectamente en la energía solar. La energía eólica y gran parte de la
energía hidráulica, que son el resultado de procesos climáticos generados por el
sol, también pertenecen a este grupo.
Últimamente, el aprovechamiento directo de la radiación solar absorbida adquiere
una importancia cada vez mayor. Además de la generación de calor para la
generación de agua caliente, calefacción y aguas industriales, la generación de
corriente solar también está alcanzando el éxito económico. Tanto las instalaciones
fotovoltaicas como la generación de corriente térmica solar a escala industrial tienen
cada vez más importancia.
5
La creación de biomasa se puede considerar como el proceso más antiguo de
transformación de la energía solar. Otras fuentes primarias de energía renovable
están dadas por la energía mareomotriz de la Luna, así como por procesos
geotérmicos.
1.2.1 Energía solar
La energía solar es la energía producida por el sol y que es convertida a energía útil
por el ser humano, ya sea para calentar algo o producir electricidad (como sus
principales aplicaciones).
Cada año el sol arroja 4 mil veces más energía que la que consumimos, por lo que
su potencial es prácticamente ilimitado.
La intensidad de energía disponible en un punto determinado de la tierra depende,
del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía que puede
recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor. Actualmente es una
de las energías renovables más desarrolladas y usadas en todo el mundo.
¿De qué manera convertimos la energía solar en energía útil para su uso cotidiano?
Esta energía renovable se usa principalmente para dos cosas, aunque no son las
únicas, primero para calentar cosas como comida o agua, conocida como energía
solar térmica, y la segunda para generar electricidad, conocida como energía solar
fotovoltaica. Los principales aparatos que se usan en la energía solar térmica son
los calentadores de agua y las estufas solares.
Para generar la electricidad se usan las células solares, las cuales son el alma de
lo que se conoce como paneles solares, las cuales son las encargadas de
transformarla energía eléctrica.
Sus usos no se limitan a los mencionados aquí, pero estas dos utilidades son las
más importantes. Otros usos de la energía solar son:
• Potabilizar agua
• Estufas Solares
6
• Secado
• Evaporación
• Destilación
• Refrigeración
Como podrás ver los usos que se le pueden dar son muy amplios, y cada día se
están descubriendo nuevas tecnologías para poder aprovecharla mejor.
1.2.2. Energía solar fotovoltaica
La Energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía eléctrica a través
de paneles fotovoltaicos.
Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos
semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan
saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus
extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la
obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para
alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
A mayor escala, la corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles
fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red,
operación que es muy rentable económicamente pero que precisa todavía de
subvenciones para una mayor viabilidad. En entornos aislados, donde se requiere
poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como estaciones
meteorológicas o repetidores de comunicaciones, se emplean las placas
fotovoltaicas como alternativa económicamente viable
1.3 LA CÉLULA SOLAR
El componente principal de una instalación fotovoltaica es la célula solar. Una célula
solar consta de dos capas adyacentes del semiconductor de silicio. Mediante la
dotación de fósforo o boro, en la capa superior se produce un exceso de electrones
7
y en la capa inferior una escasez. Dentro de la célula solar surge, por consiguiente,
un campo eléctrico. La capa superior actúa como polo negativo (cátodo). La capa
inferior funciona como polo positivo (ánodo).
Los electrones son movilizados en la célula a través de la luz (figura No. 1.1). Si se
conectan los ánodos y los cátodos entre sí, fluye una corriente eléctrica.
Como una célula solar sólo proporciona una tensión muy escasa, se agrupan varias
células en un módulo. Si se conectan varios módulos en serie, se suman las
tensiones de los módulos individuales.
1.3.1 ¿Qué es un panel solar y cómo funciona?
Paneles Solares son aquellas placas solares o láminas colocadas en forma de
láminas sobre la base dura y asegurada con marcos bien sellados o los que dentro
de esa caja de vidrio están los tubos delgados de cobre o de vidrio donde los rayos
solares caen para transformarse en energía eléctrica o en calor. Los primeros para
generar energía eléctrica y usar los electrodomésticos y los segundos para disipar
en calor y calentar el agua o para secar el aire del ambiente.
El funcionamiento de los paneles solares se basa en el efecto fotovoltaico, que se
produce cuando, sobre materiales semiconductores convenientemente tratados,
incide la radiación solar produciendo electricidad.
Figura No. 1.1.- Electrones excitados al contacto de los rayos de luz
8
En el momento en que queda expuesto a la radiación solar, los diferentes
contenidos en la luz transmiten su energía a los electrones de los materiales
semiconductores que, entonces, pueden romper la barrera de potencial de la unión
P-N, y salir así del semiconductor a través de un circuito exterior.
Estas células fotovoltaicas se combinan de muy diversas formas para lograr tanto
el voltaje como la potencia deseados y de este modo poder conseguir que la energía
solar se acabe convirtiendo en energía que poder consumir.
1.4 MODULO SOLAR ET- 250
El equipo ET 250 / "Medición en módulos solares" es parte del área de productos
2E - ENERGY & ENVIRONMENT.
Ante el hecho de recursos limitados y crecientes impactos ambientales, esta área
persigue un nuevo concepto en la formación técnica:
Los aprendices y estudiantes deben adquirir importantes experiencias prácticas del
funcionamiento de sistemas técnicos, especialmente desde el punto de vista de
sostenibilidad. En esto, 2E se basa en un enfoque global: Las preguntas de la
producción de energía (energía renovable natural) no se pueden separar de la
problemática del manejo cuidadoso del medio ambiente.
Los módulos solares se pueden interconectar para que formen unas instalaciones
fotovoltaicas pequeñas con una potencia de unos cuantos kilovatios, pero también
para formar centrales de energía solar de muchos megavatios.
Los módulos solares fotovoltaicos transforman la luz solar directamente en corriente
eléctrica y son, por tanto, un componente ideal para el suministro de energía
renovable. Los módulos solares típicos de la práctica fotovoltaica están construidos
a partir de varias células solares de silicio conectadas en serie. El banco de ensayos
ET-250 figura No. 1.2 contiene dos módulos solares de este tipo. La inclinación de
los módulos se puede ajustar. Es posible conectar en paralelo o en serie ambos
9
módulos mediante cables. Un reóstato de cursor simula distintas cargas. El reóstato
de cursor permite el registro de curvas características de corriente y tensión.
Los módulos solares de ET 250 corresponden a un modelo muy extendido en la
práctica y cada uno está compuesto por 36 células solares de silicio conectadas en
serie. Con este montaje experimental, los dos módulos se pueden estudiar en
diferentes conexiones/circuitos bajo condiciones de irradiación cambiantes.
Para ello, una unidad de medición indica la intensidad de iluminación, la temperatura
del módulo, la tensión y la corriente. Con ayuda del resistor de cursor y de otras
resistencias adicionales se pueden registrar curvas características I-U.
La unidad de medición separada ofrece indicadores para todas las magnitudes
relevantes. Dos resistores de potencia en la unidad de medición sirven para ampliar
el rango de medición para mediciones con una iluminancia escasa. Los sensores
en el módulo solar registran la iluminancia y la temperatura.
Los ensayos con ET 250 se deberían realizar al aire libre, a ser posible, para poder
partir de las propiedades físicas de la irradiación solar natural al evaluar los
resultados. En caso de que se hagan ensayos de laboratorio, se puede utilizar luz
artificial como, p.ej., luz halógena de la fuente de luz de laboratorio HL 313.01. En
esto, sin embargo, se tiene que prestar atención a una corrección espectral
correspondiente de la medición de referencia al determinar la eficiencia del módulo.
Para una iluminancia suficiente, el banco de ensayos debería utilizarse con luz solar
o con la fuente de luz artificial opcional HL 313.01. El material didáctico, bien
estructurado, representa los fundamentos y guía paso a paso por los distintos
ensayos. El ET 250 se puede utilizar como generador fotovoltaico para el banco de
ensayos.
10
Figura No. 1.2.- Modulo solar ET- 250
1.4.1 Datos técnicos del panel solar ET-250
Los módulos solares fotovoltaicos transforman la luz solar directamente en corriente
eléctrica y son, por tanto, un componente ideal para el suministro de energía
renovable. Los módulos solares típicos de la práctica fotovoltaica están construidos
a partir de varias células solares de silicio conectadas en serie.
El banco de ensayos ET 250 contiene dos módulos solares de este tipo. La
inclinación de los módulos se puede ajustar. Es posible conectar en paralelo o en
serie ambos módulos mediante cables. Un reóstato de cursor simula distintas
cargas. El reóstato de cursor permite el registro de curvas características de
corriente y tensión.
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La unidad de medición separada ofrece indicadores para todas las magnitudes
relevantes. Dos resistores de potencia en la unidad de medición sirven para ampliar
el rango de medición para mediciones con una iluminancia escasa. Los sensores
en el módulo solar registran la iluminancia y la temperatura.
Para una iluminancia suficiente, el banco de ensayos debería utilizarse con luz solar
o con la fuente de luz artificial opcional HL 313.01. El material didáctico, bien
estructurado, representa los fundamentos y guía paso a paso por los distintos
ensayos. El ET 250 se puede utilizar como generador fotovoltaico para el banco de
ensayos ET 255Aprovechamiento Fotovoltaico: en Paralelo a la Red o en Isla.
Especificaciones
El modulo solar está equipado como se muestra en la figura 1.3.
Figura No. 1.3.- 1 reóstato de cursor, 2 cable de red, 3 juego de cables para conexión en paralelo en serie, 4 cable de
medición, 5 unidad de medición, 6 eje basculante, 7 medidor de inclinación, , 8 sensor de iluminancia, 9 sensor de
temperatura, 10 módulos solares
Unidad de medición
La unidad de medición que se muestra en la figura No.1.4, permite realizar
mediciones de corriente, tensión, intensidad de iluminación y temperatura. En los
elementos de indicación de la unidad de medición se pueden observar las
magnitudes de medida requeridas para los experimentos fotovoltaicos previstos.
12
Figura No. 1.4.- Indicadores: 1 corriente, 2 tensión, 3 iluminancia, 4 temperatura;
Conexiones de medición: 5 corriente, 6 masa, 7 tensión, 8 iluminancia
temperatura, 9 resistores de potencia
Dimensiones y peso
* Largo: 1410 mm
* Ancho: 795 mm
* Alto: 1490 mm
* Peso: aprox. 65kg
Datos técnicos
Montaje de un módulo
- Número de células: 36
- Material de las células: silicio monocristalino
- Superficie del módulo: 0,64m²
Características típicas del módulo en STC (condiciones normales de ensayo)
- Potencia máx.: 85W
- Corriente de cortacircuito: aprox. 5,3A
- Tensión de circuito abierto: aprox. 22V
- Reóstato de cursor: 0...10 ohmios
- 2 resistores de potencia: 22 ohmios/50W Rangos de medición
- Temperatura: 0…100℃
- Tensión: 0...200V
- Corriente: 0...20A
- Iluminancia: 0...3kW/m²
- Inclinación: 0...90°
13
Capítulo II LabVIEW® - Arduino®
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2.1. INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO (GUI)
En los sistemas informáticos, la relación humano-computadora se realiza por medio
de la interfaz, que se podría definir como mediador. Cuando existen dos sistemas
cualesquiera que se deben comunicar entre ellos la interfaz será el mecanismo, el
entorno o la herramienta que hará posible dicha comunicación.
Podríamos definir básicamente dos tipos de interfaces:
• La interfaz física: un ratón y un teclado que sirven para introducir y manipular
datos en nuestro ordenador.
• La interfaz virtual o interfaz gráfica (GUI) que permite, mediante iconos
(cursor + objetos gráficos metafóricos), interactuar con los elementos gráficos
convirtiendo al ser humano en usuario de la aplicación.
Estas dos mediaciones son relaciones del tipo entrada de datos (input). Al igual que
tenemos una entrada, necesitamos algo que facilite la salida de datos (output), para
esto tenemos, por ejemplo, la pantalla de la computadora, donde se visualizan estas
interfaces gráficas, o la impresora, donde se imprimen los datos.
En definitiva GUI es una interfaz de usuario en la que una persona interactúa con la
información digital a través de un entorno gráfico de simulación. Este sistema de
interactuación con los datos se denomina WYSIWYG (What you see is what you
get, ‘lo que ves es lo que obtienes’), y en él, los objetos, iconos (representación
visual) de la interfaz gráfica, se comportan como metáforas de la acción y las tareas
que el usuario debe realizar (tirar documento = papelera). Estas relaciones también
se denominan interfaces objetos-acción (object-action-interface, OAI).
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2.2. ¿QUÉ ES LA ADQUISICIÓN DE DATOS?
La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno
eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema
DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software
programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas
DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad,
la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la
industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.
2.2.1. ¿Qué es un sensor?
La medida de un fenómeno físico, como la
temperatura de una habitación, la intensidad de una
fuente de luz o la fuerza aplicada a un objeto,
comienza con un sensor. Un sensor, también llamado
un transductor, convierte un fenómeno físico en una
señal eléctrica que se puede medir. Dependiendo del
tipo de sensor, su salida eléctrica puede ser un
voltaje, corriente, resistencia u otro atributo eléctrico que varía con el tiempo.
Algunos sensores pueden requerir componentes adicionales y circuitos para
producir correctamente una señal que puede ser leída con precisión y con toda
seguridad por un dispositivo DAQ.
Figura No. 2.1.- Partes de un sistema DAQ
Figura No. 2.2.- Sensor
16
Sensores Comunes
Tabla No. 1.- Tipos de sensores
2.2.2. ¿Qué es un dispositivo DAQ?
El hardware DAQ actúa como la interfaz
entre una PC y señales del mundo exterior.
Funciona principalmente como un dispositivo
que digitaliza señales analógicas entrantes
para que una PC pueda interpretarlas. Los
tres componentes clave de un dispositivo
DAQ usado para medir una señal son el
circuito de acondicionamiento de señales,
convertidor analógico-digital (ADC) y un bus
de PC. Varios dispositivos DAQ incluyen otras funciones para automatizar sistemas
de medidas y procesos. Por ejemplo, los convertidores digitales-analógicos (DAC’s)
envían señales analógicas, las líneas de E/S digital reciben y envían señales
digitales y los contadores/temporizadores cuentan y generan pulsos digitales.
Sensor Fenómeno
Termopar, RTD, Termistor Temperatura
Fotosensor Luz
Micrófono Sonido
Galga Extensiométrica, Transductor
Piezoeléctrico Fuerza y Presión
Potenciómetro, LVDT, Codificador Óptico Posición y Desplazamiento
Acelerómetro Aceleración
Electrodo pH pH
Figura No. 2.3.- Dispositivo DAQ
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Componentes Clave de Medidas para un Dispositivo DAQ
Acondicionamiento de Señales
Las señales de los sensores o del mundo exterior pueden ser ruidosas o demasiado
peligrosas para medirse directamente. El circuito de acondicionamiento de señales
manipula una señal de tal forma que es apropiado para entrada a un ADC. Este
circuito puede incluir amplificación, atenuación, filtrado y aislamiento. Algunos
dispositivos DAQ incluyen acondicionamiento de señales integrado diseñado para
medir tipos específicos de sensores.
Convertidor Analógico Digital (ADC)
Las señales analógicas de los sensores deben ser convertidas en digitales antes de
ser manipuladas por el equipo digital como una PC. Un ADC es un chip que
proporciona una representación digital de una señal analógica en un instante de
tiempo. En la práctica, las señales analógicas varían continuamente con el tiempo
y un ADC realiza "muestras" periódicas de la señal a una razón predefinida. Estas
muestras son transferidas a una PC a través de un bus, donde la señal original es
reconstruida desde las muestras en software.
Bus de la PC
Los dispositivos DAQ se conectan a una PC a través de una ranura o puerto. El bus
de la PC sirve como la interfaz de comunicación entre el dispositivo DAQ y la PC
para pasar instrucciones y datos medidos. Los dispositivos DAQ se ofrecen en los
buses de PC más comunes, incluyendo USB, PCI, PCI Express y Ethernet.
Recientemente, los dispositivos DAQ han llegado a estar disponibles para 802.11
Wi-Fi para comunicación inalámbrica. Hay varios tipos de buses y cada uno de ellos
ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones.
¿Cuál es la Función de la PC en un Sistema DAQ?
Una PC con software programable controla la operación del dispositivo DAQ y es
usada para procesar, visualizar y almacenar datos de medida. Diferentes tipos de
PCs son usadas en diferentes tipos de aplicaciones. Una PC de escritorio se puede
18
utilizar en un laboratorio por su poder de procesamiento, una laptop se puede utilizar
por su portabilidad o una PC industrial se puede utilizar en una planta de producción
por su robustez.
¿Cuáles son los Diferentes Componentes de Software en un Sistema DAQ?
Software Controlador
El software controlador ofrece al software de aplicación la habilidad de interactuar
con un dispositivo DAQ. Simplifica la comunicación con el dispositivo DAQ al
abstraer comandos de hardware de bajo nivel y programación a nivel de registro.
Generalmente, el software controlador DAQ expone una interfaz de programación
de aplicaciones (API) que es usada en un entorno de programación para construir
software de aplicación.
Software de Aplicación
El software de aplicación facilita la interacción entre la PC y el usuario para adquirir,
analizar y presentar datos de medidas. Puede ser una aplicación pre-construida con
funcionalidad predefinida o un entorno de programación para construir aplicaciones
con funcionalidad personalizada. Las aplicaciones personalizadas generalmente
son usadas para automatizar múltiples funciones de un dispositivo DAQ, realizar
algoritmos de procesamiento de señales y mostrar interfaces de usuario
personalizadas.
2.3. SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW®
¿Qué es LabVIEW®?
LabVIEW® es su herramienta para resolver más rápido y de manera más eficiente
los problemas de hoy en día con la habilidad de evolucionar y resolver con sus retos
futuros. LabVIEW® ofrece integración sin precedentes con todo el hardware de
medidas, software legado existente e IP al aprovechar las últimas tecnologías de
cómputo.
19
Desde el nacimiento de una idea hasta la comercialización de un widget, el enfoque
único de NI basado en plataforma para aplicaciones de ingeniería y ciencia, ha
impulsado el progreso en una amplia variedad de industrias. En el centro de este
enfoque está LabVIEW®, un entorno de desarrollo diseñado específicamente para
acelerar la productividad de ingenieros y científicos. Con una sintaxis de
programación gráfica que facilita visualizar, crear y codificar sistemas de ingeniería,
LabVIEW® es incomparable en ayudar a ingenieros a convertir sus ideas en
realidad, reducir tiempos de pruebas y ofrecer análisis de negocio basado en datos
recolectados. Desde desarrollar máquinas inteligentes hasta garantizar la calidad
de los dispositivos conectados, LabVIEW® ha sido la solución predilecta para crear,
implementar y probar el Internet de las Cosas por décadas.
(“Software de Desarrollo de Sistemas NI LabVIEW - National Instruments”, s/f)
Los programas desarrollados con LabVIEW® se llaman Instrumentos Virtuales, o
VIs, y su origen provenía del control de instrumentos, aunque hoy en día se ha
expandido ampliamente no sólo al control de todo tipo de electrónica
(Instrumentación electrónica) sino también a su programación embebida,
comunicaciones, matemáticas, etc. Un lema tradicional de LabVIEW® es: "La
potencia está en el Software", que con la aparición de los sistemas multinúcleo se
ha hecho aún más potente. Entre sus objetivos están el reducir el tiempo de
desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y
Diseño) y el permitir la entrada a la informática a profesionales de cualquier otro
campo. LabVIEW® consigue combinarse con todo tipo de software y hardware,
tanto del propio fabricante -tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión,
instrumentos y otro Hardware- como de otros fabricantes.
2.3.1 Características principales
Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores
profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación
pueden hacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer
con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con
LabVIEW® y cualquier programador, por experimentado que sea, puede
20
beneficiarse de él. Los programas en LabVIEW® son llamados instrumentos
virtuales (VIs) Para los amantes de lo complejo, con LabVIEW® pueden crearse
programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para
aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de
puntos de entradas/salidas, proyectos para combinar nuevos VIs con VIs ya
creados, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el
rendimiento y la calidad de la programación.
Presenta facilidades para el manejo de:
• Interfaces de comunicaciones:
o Puerto serie
o Puerto paralelo
o GPIB
o PXI
o VXI
o TCP/IP, UDP, DataSocket
o Irda
o Bluetooth
o USB
o OPC...
• Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones:
o DLL: librerías de funciones
o NET
o ActiveX
o Multisim
o Matlab/Simulink
o AutoCAD, SolidWorks, etc
• Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales.
• Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos.
• Adquisición y tratamiento de imágenes.
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• Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior).
• Tiempo Real estrictamente hablando.
• Programación de FPGAs para control o validación.
• Sincronización entre dispositivos.
El PC es el instrumento
Los sistemas tradicionales de automatización y medida consisten en instrumentos
específicos para tareas específicas. Normalmente se está obligado a diseñar el
sistema desde cero y ello conlleva poseer un buen conocimiento de programación
de ordenadores. Se puede decir que en los sistemas tradicionales el hardware
define el sistema.
Todo esto cambia usando el concepto de instrumentos basados en ordenador o
instrumentos virtuales. De este modo se pueden diseñar sistemas de
automatización y medida de bajo costo. La programación gráfica con LabVIEW
permite a los no programadores un método fácil para implementar aplicaciones
complejas de test, medida y automatización. Con LabVIEW el software define el
sistema.
2.3.2. Programa en LabVIEW®
Los ficheros generados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, VIs. Cada
VI se compone de dos partes principales: el panel frontal (front panel) o interface
con el usuario y el diagrama de bloques (block diagram) o código fuente y una
tercera parte el icono y conector (icon and connector)
Como se ha dicho es una herramienta gráfica de programación, esto significa que
los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión. Al
tener ya pre-diseñados una gran cantidad de bloques, se le facilita al usuario la
creación del proyecto, con lo cual en vez de estar una gran cantidad de tiempo en
programar un dispositivo/bloque, se le permite invertir mucho menos tiempo y
dedicarse un poco más en la interfaz gráfica y la interacción con el usuario final.
Cada VI consta de dos partes diferenciadas:
22
• Panel Frontal: El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, la utilizamos para
interactuar con el usuario cuando el programa se está ejecutando. Los
usuarios podrán observar los datos del programa actualizados en tiempo real
(como van fluyendo los datos, un ejemplo sería una calculadora, donde tú le
pones las entradas, y te pone el resultado en la salida). En esta interfaz se
definen los controles (los usamos como entradas, pueden ser botones,
marcadores etc...) e indicadores (los usamos como salidas, pueden ser
gráficas...).
• Diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se define
su funcionalidad, aquí se colocan íconos que realizan una determinada
función y se interconectan (el código que controla el programa --. Suele haber
una tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar
un VI con otros VIs.--
En el panel frontal, encontraremos todo tipos de controles o indicadores, donde cada
uno de estos elementos tiene asignado en el diagrama de bloques una terminal, es
decir el usuario podrá diseñar un proyecto en el panel frontal con controles e
indicadores, donde estos elementos serán las entradas y salidas que interactuarán
con la terminal del VI. Podemos observar en el diagrama de bloques, todos los
valores de los controles e indicadores, como van fluyendo entre ellos cuando se
está ejecutando un programa VI.
23
SubVIs: Reutilización de código de bloques de programa y construcción de
jerarquías
Normalmente, al diseñar una aplicación LabVIEW®, se comienza desde el VI más
general definiendo las entradas y salidas de la aplicación. Después se crean subVIs
que realizan tereas más sencillas dentro del VI general. Este método de diseño es
una de las ventajas de LabVIEW®. Se pueden diseñar fácilmente aplicaciones
complejas utilizando una estructura jerárquica y usando elementos comunes varias
veces dentro de la aplicación.
El uso de subVIs permite realizar aplicaciones fáciles de comprender,
depurar y mantener.
El entorno LabVIEW
Los elementos básicos en el entorno LabVIEW son los menús (en la parte
superior de las ventanas del panel frontal y diagrama de bloques) la barra
de herramientas y las paletas flotantes que se pueden colocar en cualquier
parte de la pantalla.
a) b)
Figura No. 2.4.- a) Panel frontal, b) Diagrama a bloques
24
En la barra de menús tenemos las siguientes opciones:
Archivo: Las opciones de este menú son para realizar las operaciones
estándar con archivos como Abrir, Guardar, Imprimir, Salir...
Editar: Operaciones de edición en el VI, como Cortar, Copiar, Pegar,
Búsqueda...
Funciones: Control de la ejecución del archivo activo, como Ejecutar, Parar,
Cambiar a Modo de Ejecución...
Herramientas: Varias utilidades como Guía de Soluciones DAQ, Historial del
VI...
Ver: Menú para ver diversos aspectos del VI actual, como archivos que
llaman al VI, los subVIs que utiliza este VI, Puntos de Ruptura...
Window: Acceso y personalización de diferentes vistas del VI, como Ver
Diagrama, Ver Lista de Errores, y opciones para las paletas y ventanas
Ayuda: Acceso a varios tipos de ayuda como Ayuda LV, ejemplos de VIs y
enlaces a los recursos de ayuda de National Intruments en internet.
La barra de herramientas consta de los siguientes botones (ver la figura 4):
Leer el programa: Ejecución del VI.
Figura No. 2.5- Opciones en el panel del software LabVIEW
25
Ciclar el programa: Ejecución continuada del VI.
Stop: Parada en mitad de la ejecución del VI.
Pausa: Parada momentánea en la ejecución del VI.
Menú de texto: Menú desplegable para controlar las fuentes del VI.
Alinear objetos: Menú desplegable para alinear componentes
seleccionados en el panel frontal o diagrama de bloques.
Distribuir objetos: Menú desplegable para distribuir componentes
seleccionados en el panel frontal o diagrama de bloques.
Reordenar los objetos: Menú desplegable para reordenar componentes
seleccionados en el panel frontal o diagrama de bloques.
Paleta de Herramientas (Tools Palette):
La paleta de herramientas está disponible tanto en el panel
de control como en el diagrama de bloques para modificar sus
contenidos. Se llama herramienta a un modo especial de
operación del puntero del ratón. El cursor toma el aspecto del
icono de la herramienta seleccionada en la paleta. Se utilizan
las herramientas para operar y modificar los contenidos del
panel de control y del diagrama de bloques.
Al habilitarse la selección automática de herramienta, cuando
se mueve el cursor sobre los diferentes objetos en el panel
frontal o diagrama de bloques, LabVIEW selecciona automáticamente la
herramienta correspondiente de la paleta.
Cada icono de la paleta cambia el comportamiento del cursor en LabVIEW, con lo
que se puede posicionar, operar y editar las diferentes tareas de los VIs.
Paleta de Controles (Controls Palette):
Para generar el panel frontal se colocan controles e indicadores de la paleta de
controles. Cada icono representa una subpaleta, la cual contiene controles para
Figura No. 2.6.- Paleta de herramientas
26
colocar en el panel frontal. Un control es un objeto que utiliza el usuario para
interactuar con el VI, introduciendo datos o controlando el proceso. Unos ejemplos
sencillos de controles son los botones, controles deslizantes, diales, cuadros de
texto... Un indicador es un objeto del panel frontal que muestra datos al usuario. Se
pueden citar como ejemplos: gráficas, termómetros, medidores analógicos y
digitales... Cuando se coloca un control o indicador en el panel frontal,
automáticamente aparece un terminal en el diagrama de bloques.
Paleta de Funciones (Functions Palette):
Para construir el diagrama de bloques se usan los terminales generados en el panel
de control por los controles e indicadores, y los VIs, funciones y estructuras de la
Figura No. 2.7.- Paleta de controles
27
paleta de funciones. Cada icono de la paleta representa una subpaleta, la cual
contiene VIs y funciones para colocar en el diagrama de bloques.
Las estructuras, VIs y funciones (llamados
en conjunto nodos) de la paleta de
funciones proporcionan la funcionalidad al
VI. Cuando se añaden nodos a un
diagrama de bloques, se pueden conectar
entre si y a los terminales generados por
los controles e indicadores del panel de
control mediante la herramienta de
conexión (Wiring Tool) de la paleta de
herramientas. Al final, un diagrama de
bloques completo se asemeja a un
diagrama de flujo.
Flujo de datos.
En la programación tradicional basada en texto, la ejecución o flujo de programa se
realiza de arriba abajo, es decir se ejecuta línea a línea.
LabVIEW se basa en la programación gráfica, no es necesario tener un gran
conocimiento de técnicas o lenguajes de programación para crear un instrumento
virtual. En lugar de la ejecución de arriba abajo, LabVIEW opera bajo el concepto
Figura No. 2.8.- Paleta de funciones
28
de flujo de datos. Al ser una programación gráfica, el aspecto del diagrama de
bloques es como el de un diagrama de flujo. Cada nodo del programa que ejecuta
un subVI o una función determinada, no se ejecuta hasta que en sus entradas estén
presentes los datos necesarios, de esta manera, a la salida no aparecerá el
resultado hasta que se haya ejecutado el nodo. Los nodos están conectados entre
sí mediante “cables”, así que el flujo de ejecución sigue el flujo de los datos de un
nodo a otro.
2.4. ARDUINO
Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source)
basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para
artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o
entornos interactivos.
Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una
variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces,
motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se programa usando
el Arduino Programming Language(basado en Wiring) y el Arduino Development
Environment(basado en Processing). Los proyectos de Arduino pueden ser
autonomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador (por
ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.). Las placas se pueden ensamblar a
mano o encargarlas preensambladas; el software se puede descargar
gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware (archivos CAD) están
disponibles bajo licencia open-source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus
necesidades.
¿Por qué Arduino?
Hay muchos otros microcontroladores y plataformas microcontroladoras disponibles
para computación física. Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX-24, Phidgets, MIT’s
Handyboard, y muchas otras ofertas de funcionalidad similar. Todas estas
herramientas toman los desordenados detalles de la programación de
29
microcontrolador y la encierran en un paquete fácil de usar. Arduino también
simplifica el proceso de trabajo con microcontroladores, pero ofrece algunas
ventajas para profesores, estudiantes y aficionados interesados sobre otros
sistemas:
Barato: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas con otras
plataformas microcontroladoras. La versión menos cara del modulo Arduino
puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino pre-
ensamblados cuestan menos de 50$.
Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos
Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas
microcontroladores están limitados a Windows.
Entorno de programación simple y claro: El entorno de programación de
Arduino es fácil de usar para principiantes, pero sucientemente flexible para
que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Para profesores,
está convenientemente basado en el entorno de programación Processing,
de manera que estudiantes aprendiendo a programar en ese entorno estarán
familiarizados con el aspecto y la imagen de Arduino.
Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado
como herramientas de código abierto, disponible para extensión por
programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante
librerias C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden
hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual
está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en
tus programas Arduino si quieres.
Código abierto y hardware extensible: El Arduino está basado en
microcontroladores ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los
módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que
diseñadores experimentados de circuitos pueden hacer su propia versión del
módulo, extendiéndolo y mejorándolo. Incluso usuarios
relativamente inexpertos pueden construir la versión de la placa del módulo
para entender cómo funciona y ahorrar dinero.
30
2.5. LABVIEW® +ARDUINO®
La interfaz de LabVIEW para Arduino (LIFA) Toolkit es una herramienta gratuita que
se puede descargar desde el servidor de NI (National Instruments) y que permite a
los usuarios de Arduino adquirir datos del microcontrolador Arduino y procesarlos
en el entorno de programación gráfica de LabVIEW. Para utilizar la aplicación LIFA
no es necesario disponer de una versión comercial de LabVIEW basta con adquirir
el software LabVIEW Student Edition que se distribuye por destinos medios a un
precio muy asequible.
La participación de una empresa como NI National Instruments en este proyecto de
desarrollo de aplicaciones Software para Arduino pone de manifiesto el gran interés
de la herramienta. No solo se ha sumado esta empresa al proyecto sino también
Google con sus aplicaciones escritas en lenguaje Android, Telefónica con el
desarrollo de una tarjeta para programar desde telefonía móvil, y otras compañías.
2.5.1 Razones para utilizar Arduino®+LabVIEW®
El microcontrolador Arduino es una plataforma de bajo costo de electrónica de
prototipos. Con la interfaz de LabVIEW para Arduino LIFA se puede aprovechar la
potencia del entorno de programación gráfica de LabVIEW para interactuar con
Arduino en una nueva dimensión.
Interface Gráfica de Usuario (Graphical User Interface GUI)
Visualizar los datos Mostrar datos de los sensores en el monitor del ordenador
mediante los paneles frontales de LabVIEW.
Personalización de la interfaz de usuario Permite dar al proyecto un toque
profesional con los controles del panel frontal de LabVIEW y los indicadores.
31
Programación Grafica
Arrastrar y soltar En lugar de tratar de recordar un nombre de función, se
encuentra en la paleta y colóquelo en su diagrama de bloques.
Documentación simple Pase el ratón sobre cualquier VI o función con el ratón y
ver al instante la documentación con ayuda contextual.
Utilización de librerías
Conexión con librerías. 850 bibliotecas integradas Aprovechar cientos de
bibliotecas integradas de procesamiento de señales, matemáticas y análisis.
Bibliotecas Conectividad Interfaz con los servicios web, bases de datos, archivos
ejecutables y más con funcionalidad integrada en el núcleo de LabVIEW.
Figura No. 9.- Visualización de datos en el panel frontal
Figura No. 2.10.-Programación grafica en el diagrama a bloques
32
¿Qué es la interfaz de LabVIEW para Arduino?
La interfaz de LabVIEW para Arduino (LIFA) Toolkit Free Toolkit es un conjunto de
herramientas gratuitas que permiten a los desarrolladores adquirir datos desde el
microcontrolador Arduino y procesarlo en el entorno de programación gráfica de
LabVIEW.
¿Qué versiones del entorno LabVIEW permiten la conexión con Arduino?
La interfaz de LabVIEW para Arduino es actualmente compatible con cualquier
versión de Windows o Mac OS que soporta LabVIEW 2009 o posterior. El kit de
herramientas también funcionan en cualquier versión de Linux que soporta
LabVIEW 2009 o posterior, sin embargo actualmente no existe un instalador (JKI VI
Package Manager) para Linux. JKI está trabajando actualmente en VIPM 2010 para
Linux, que estará disponible aquí cuando haya terminado.
¿Qué hardware es necesario para utilizar la interfaz de LabVIEW para
Arduino?
El único hardware que se necesita es una tarjeta Arduino, cable USB y un ordenador
con LabVIEW y la interfaz de LabVIEW para Arduino. La interfaz de LabVIEW para
Arduino fue desarrollado y probado usando Arduino UNO y Arduino MEGA 2560.
33
Capítulo III Diseño
34
3.1. UBICACIÓN
El modulo solar fotovoltaico ET 250 se encuentra en el laboratorio de mecánica del
Tecnológico.
El Instituto Tecnológico de Salina Cruz se encuentra en el estado de Oaxaca en la
región del Istmo de Tehuantepec, localizado en Carretera a San Antonio Monterrey,
KM. 1.7 Colonia Granadillo C.P. 70701 en Salina Cruz. En la figura No. 3.1 se
muestra la macro-localización del tecnológico, es decir una vista aérea, tomando
como referencia la carretera Juchitán de Zaragoza-Salina Cruz.
Figura No. 3.1.- Macro-localización del Instituto Tecnológico de Salina Cruz
El Tecnológico consta de 5 edificios como se muestra en la imagen 3.2 los cuales
dos de ellos son laboratorios de práctica para las diferentes especialidades
ofertadas en el ámbito de ingeniería.
En el laboratorio orientado al sureste del tecnológico, destinado para equipos de
prueba, está equipado por dos importantes equipos generadores de energía
eléctrica con el uso de energías renovables, estos equipos son una planta de
ensayos ET-220 cuenta con una central eólica ET 220.01 consta de una sala de
máquinas, denominada góndola, montada sobre un poste orientable con una base
35
estable y soportes y un banco de ensayos para el estudio de celdas solares ET 250,
que contiene dos módulos solares con una unidad de luz artificial. Con la ayuda de
esta fuente de luz es posible crear condiciones de luz constantes en el laboratorio,
lo cual facilita la comparación de los distintos ensayos.
La interfaz gráfica para el monitoreo de variables en el panel solar ET-250 está
diseñada para adaptarse a las necesidades del laboratorio, y estará disponible para
que los alumnos del tecnológico tengan un fácil acceso y un mejor entendimiento
del funcionamiento de dicho panel.
Con ayuda de esta nueva herramienta de trabajo será más fácil el aprendizaje, por
lo que se espera que su implementación sea de gran éxito.
3.2. PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES
Para poder conocer la naturaleza del fenómeno y el objeto que se estudió, fue
necesario comprender su esencia. Se tuvo que analizar cada una de las variables
independientemente, para comprender el comportamiento, específicamente la
corriente, tensión, luminosidad y temperatura. Para esto empleamos el método
Figura 3.2.- Vista aérea del Tecnológico de Salina Cruz
36
analítico que consiste en la desmembración de un todo, descomponiéndolo en sus
partes o elementos para observar las causas, la naturaleza y los efectos. Nos
permitió conocer más del objeto de estudio, con lo cual se pudo: explicar, hacer
analogías, comprender mejor su comportamiento y establecer nuevas teorías.
El procedimiento para llevarlo a cabo se dividió en cuatro etapas, que tuvo por
objetivo principal Desarrollar una interfaz gráfica de usuario utilizando LabVIEW® y
ARDUINO® para el monitoreo de variables. Es decir poder visualizar a distancia
mediante una computadora, el comportamiento de las variables que caracterizan
ha dicho panel solar.
La primera etapa fue él estudio de los antecedentes y el análisis de la problemática.
En esta parte se estudiaron los aspectos más generales de los paneles solares.
3.2.1 Recopilación de información
Consistió en acudir a diversos medios y lugares informativos como archivos,
bibliotecas, institutos de investigación, Internet, etcétera. Para ello es importante
tener presentes las diversas fuentes que nos pueden ser útiles en la tarea de
recabar información para nuestra investigación.
Las fuentes de información más utilizadas fueron las siguientes:
Libros
Monografías
Revistas especializadas
Fichas técnicas
Internet
Con esta recopilación se obtuvo el punto de vista de la problemática.
3.2.2 Análisis del problema
Una vez que se identificado y definido el problema, se procedió a identifica la(s)
causa(s) principal(es) del mismo. En esta fase el objetivo fue analizar el problema
y dividirlo en partes separadas, examinando cómo es que se relacionan cada una
37
de ellas. Es indispensable comprender el contexto del problema y como unas partes
afectan a otras. Con este análisis se tuvieron los inicios para las soluciones
potenciales y elaboración de planes de acción.
El análisis del problema se realiza a través del siguiente procedimiento:
a) Confirmación de que el problema existe realmente.
b) Presentación de los datos
c) Identificación de causas potenciales
3.2.3 Identificar posibles soluciones.
Una vez que se tuvo una mejor comprensión de los problemas, es más fácil
identificar posibles soluciones. Aquí el objetivo fue presentar ideas, las cuales
facilitaron las organizaciones de los problemas, sus causas y el diseño de
soluciones.
Se obtuvo una información clave que se identificó con una posible solución que a
continuación se menciona:
“National Instruments, está ayudando a las empresas de ingeniería y energía
eléctrica-electrónica a resolver sus retos más complejos de generación y monitoreo
de energía para crear una red eléctrica verdaderamente inteligente. Mediante el uso
de sistemas modulares y flexibles con procesamiento avanzado, NI está
comprometido con proveer soluciones diseñadas para reducir las complejidades de
control, monitoreo y pruebas asociadas a las aplicaciones de energía, para impulsar
un incremento en la productividad y un ahorro significativo en tiempo y costos”.
“ARDUINO® ya tiene conexión con LabVIEW® lo cual le confiere una gran
potencialidad dado que estamos hablando de una herramienta de gran capacidad
y muy extendida tanto en el mundo académico con en el industrial y de laboratorio.
Esta forma de trabajo, por tratarse de LabVIEW®, es interesante para usarla en el
prototipo de aplicaciones de instrumentación en as que las tarjeta ARDUINO® juega
38
el papel de un sencillo y versátil equipo de adquisición de datos a un costo muy
bajo”.
Este fragmento de información junto con el resto, debidamente organizada y
analizada, conducirá al diseño de soluciones, expresada en forma de proyecto.
3.2.3 Establecer lo que se utilizara para resolver el problema.
En base a los problemas y soluciones optamos por usar ARDUINO® y LabVIEW®,
esta tecnología y software de vanguardia ofrecen una plataforma completa de
herramientas para solucionar estos retos, al ofrecer soluciones personalizadas para
probar, monitorear y controlar las fuentes de generación de energía
Como un dato adicional a la solución de este problema se concluye que los
ingenieros y científicos en todo el mundo están utilizando la plataforma de diseño
gráfico de sistemas de National Instruments para producir un impacto positivo en el
ecosistema global. Muchos de los problemas más cruciales de hoy en día se están
tratando a través de aplicaciones de ingeniería verde, impulsadas por productos de
NI, desde el desarrollo de sistemas más eficientes en cuanto a energía hasta una
mejor monitorización del medio ambiente y sistemas ecológicamente más limpios.
La segunda etapa consta de la recopilación y estudio de la información acerca de
los paneles solares SOLAREX®, módulo de sensores de temperatura, luminosidad,
de tensión y corriente eléctrica, plataforma ARDUINO® y el software LabVIEW®.
Aquí se obtuvieron las primeras herramientas para posteriores consultas en cierto
momento que se requirió. Se conoció por primera vez el software LabVIEW®
versión 13.0 de manera teórica, analizando cada uno de los componentes, como
sus herramientas y controles, así como las conexiones en el diagrama de bloques
y los indicadores en el panel frontal. A su vez de que existen las herramientas que
se nos proporcionan controlar nuestro ARDUINO® desde el monitor de una PC con
la interfaz gráfica realizada en LabVIEW®
39
3.2.4 Justificar el desarrollo del proyecto.
El propósito fundamental fue desarrollar una aplicación grafica mediante el software
LabVIEW®, su función fue obtener y monitorear información en tiempo real de
variables como voltaje, temperatura, intensidad luminosa, potencia e intensidad.
Nos dedicamos en LabVIEW® por que impulsa el progreso de grandes industrias
con una gama de herramientas disponibles para desarrollar aplicaciones que
mejoran la calidad y productividad a ingenieros y científicos.
Por otro lado el proyecto es beneficioso por los usos o la generación de energía
limpia por efectos de las celdas solares que funcionan mediante el efecto
fotovoltaico.
Un propósito fuera de los objetivos pero importante es enseñar de forma práctica a
los alumnos, todos los aspectos esenciales relevantes del funcionamiento y como
es que todas esas variables influyen en la transformación de la energía solar a
eléctrica de un módulo fotovoltaico.
Hoy en día esta transformación de energía solar a energía eléctrica, que se le
denomina energías limpias, va tomando más importancia.
3.2.5 Presupuesto
En la siguiente tabla se muestran los materiales que se utilizaron para la creación y
el ensamble de la interfaz gráfica en el panel solar ET-250, esta tabla consiste en
presentar las cantidades y los costos del material así como las herramientas y
también especifica las hora humano para realizar este trabajo.
PRESUPUESTO DEL PROYECTO
CONCEPTO CANTIDAD PRECIO UNITARIO
COSTO (M.N.)
A. Ingresos Personales
Tarifa horaria 160 hrs. 20 $3,200
B. Gastos Personales
Transporte 20 5 $100
Alimentos 6 50 $300
C. Equipamiento
40
Laptop 1 $13,990
Multímetro Digital FLUKE
1 $6,122
Software NI LabVIEW®
$83,590
D. Materiales
Placa ARDUINO® 1 $430
Cable USB A/B 1 $60
Sensor de Temperatura DS18B20
1 $200
Sensor Fotoresistivo De Intensidad Luminosa
1 $200
Sensor De Voltaje DC 5:1
1 $200
Sensor De Corriente Efecto Hall Acs712
1 $200
Modulo Fotovoltaico SOLAREX SX-55U
1 $5000
Protoboard 1 $100
Conectores para sensores
10 12 $120
Soldadura y pasta 1 $150
E. Herramientas
Pinza de corte y punta
1 $84
Desarmador de cruz 1 $33
Desarmado plano 1 $43
Cúter 1 $38
Cautín 1 $379
Cinta de aislar 1 $50
F. Papelería e insumos
Impresiones $60
Copias $20
Cinta masking tape 1 $35
Marcado permanente
1 $45
Internet $70
41
Figura No. 3.3.- Módulo Sensor de Temperatura LM35D -
3.3 MONITOREO DE VARIABLES DE UN PANEL SOLAR
En esta interfaz se realiza el monitoreo de variables físicas mediante la captura de
los datos provenientes del panel solar y de los sensores que se hace a través de
una tarjeta de desarrollo ARDUINO UNO® y del software NI LabVIEW®, quienes
son los encargados de leer los datos y mostrarlos en el ordenador. Además se
puede ver el análisis de esta en tiempo real de acuerdo con el clima de la región,
con lo cual se visualiza cómo se comporta la generación de energía con respecto a
los cambios de clima a lo largo del día.
Monitoreo de variables físicas.
La primera etapa consiste de varios sensores para el monitoreo de las variables
tales como: Luminosidad, Temperatura, Voltaje, Corriente Eléctrica y Potencia
Eléctrica. Las señales provenientes de los sensores son voltajes de corriente directa
que varían de 0 a 5 V.
Monitoreo de Temperatura.
Para realizar el monitoreo de la temperatura, se usó el sensor denominado LM35,
el cual se muestra en la figura 1, cuyo rango de operación es de -55ºC hasta
+150ºC, con calibración directa para grados Celsius, una respuesta de factor lineal
de +10.0mV/ ºC y opera con una alimentación desde 4V hasta 30V.
Monitoreo de Luminosidad.
Para realizar la medición de la luminosidad, se usó el sensor DFR0026 Analog
Ambient Light Sensor (Figura No. 3.4), este detecta la densidad de la luz y refleja la
señal en tensión analógica, su rango de iluminación va de 1LUX hasta 6000 LUX,
opera de 3.3V a 5 V.
42
Monitoreo de Voltaje Generado.
Para obtener el voltaje que se genera, se utilizó el sensor que es capaz de medir
voltaje basándose en el principio de diseño de divisor de tensión resistivo (Figura
No. 3.5). El voltaje de medición no es mayor a 5 veces el voltaje de entrada, para
5V = 25 V, para 3.3 V /16.5 V. Rango de entrada de voltaje va de 0V a 25V, con un
rango de detección de 0.02445v a 25v y una resolución analógica de tensión de
0.00489V.
Monitoreo de Corriente Eléctrica.
Para el monitoreo de la corriente, se utilizó el módulo basado en el circuito integrado
ACS712 de Allegro MicroSystems (Figura No. 3.4), el cual permite medir la
cantidad de corriente que fluye a través de un circuito de corriente alterna (AC) o
corriente directa (DC). El método de sensado es a través de un sensor de efecto
hall que provee un voltaje de salida proporcional a la corriente que fluye en el
circuito. Este soporta una medición de hasta 5 A con una sensibilidad de 185mV/A.
Figura No. 3.4.-. Módulo Sensor Análogo de Luz Ambiental
Figura No 1.5.-. Módulo Sensor de Voltaje
43
3.4 INTERFAZ GRÁFICA
El programa para el monitoreo de variables está diseñado en el software de
LabVIEW® quien a través de un panel frontal principal o de inicio, podemos
visualizar directamente las distintas variables. La interfaz cuenta con subpaneles en
forma de pestañas donde se puede observar con más detalle el comportamiento de
cada variable en intervalos de tiempo mediante gráficas. A continuación se muestra
la interfaz.
Figura No. 3.6.-. Módulo Sensor de Corriente
Figuran No. 3.7. Panel de Inicio
44
Figura No. 3.8.- Panel de Amperaje
Figura No. 3.9.- Panel de Voltaje
45
Figura No. 3.11. Panel de Luminosidad
Figura No.3.10. Panel de Temperatura
46
La Figura No. 3.12 muestra el diagrama de bloques de la interfaz que corresponde
al código fuente de dicho programa.
Por cuestiones de dificultad a la hora de leer las entradas analógicas se optó por
implementar dos tarjetas ARDUINO®.
Figura No. 3.12.- Diagrama a bloques de la interfaz
1. Inicializa la conexión con el ARDUINO® con la velocidad de transmisión por
defecto de 115200 baudios.
2. Lee los valores analógicos de cada sensor con sus respectivos PIN de
entrada analógica.
3. Muestra los valores de las variables en sus respectivos indicadores.
4. Cierra el puerto.
5. Tratamiento de errores.
6. Generador de intervalos para la toma de muestras.
47
CONCLUSIONES
La interfaz gráfica de usuario implementada en el módulo solar fotovoltaico ET 250
nos permite una mejor manejo en las variables también nos permite observar y
deducir cuales son las condiciones óptimas del manejo.
La interfaz gráfica ofrece versatilidad para los jóvenes de las diferentes ingenierías
y así una mejor utilización de los equipos con los que cuenta el Instituto Tecnológico
de Salina Cruz.
Los alumnos del instituto tendrán un mejor entendimiento en el funcionamiento de
este sistema siendo más fácil la implementación de nuevos sistemas o de nuevas
tecnologías para el desarrollo tecnológico y una mejor capacitación en los alumnos
y porque no también en los profesores de este centro educativo.
El manejo de las variables y el entendimiento del entorno visual de LabVIEW®
ayudaran a futuras correcciones en el sistema y de ser posible la implementación
de nuevos sistemas de control en equipos del Tecnológico.
Con la implementación de este sistema de monitoreo se adquirieron conocimientos
en dispositivos, software y hardware que nos permitirán un mejor desempeño
académico y experiencias para la vida laboral.
48
BIBLIOGRAFÍA
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ANEXOS