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DISENO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA DE

ADQUISICION DE DATOS PARA LA CARACTERIZACION

DE UNA CELDA SOLAR

por

Juan Federico Ramirez Rios

Presentado en la Facultad de Ciencias y Educacioncomo requisito para el tıtulo de

Licenciado en Fısica

en la

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

Junio 2016

Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Facultad de Ciencias y Educacion

Junio 2, 2016

Dirigido por . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Jose M. Florez

Profesor TitularDirector del trabajo de grado

Aceptado por . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Alejandro Hurtado, Nelson L. Forero

Jurados, Programa de Licenciatura en Fısica

2

Para la elaboracion de este documento se utilizo la plantilla LATEXMIT Thesis disponible en http:

//web.mit.edu/thesis/tex/. Los circuitos electronicos fueron disenados con el programa KiCad 4.0.2;para los diagramas de flujo y bloques se uso el software LibreOffice Draw 4.2.8.2; para las imagenes concodigos de programacion, fueron elaborados y tomados de los IDE: Eclipse 3.8 y Kate 3.13.3; los graficosxy se obtuvieron con el framework ROOT.

http://web.mit.edu/thesis/tex/

http://web.mit.edu/thesis/tex/

3

DISENO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA DE ADQUISICION DEDATOS PARA LA CARACTERIZACION DE UNA CELDA SOLAR

porJuan Federico Ramirez Rios

Presentado en la Facultad de Ciencias y Educacionel dıa Junio 2, 2016, como requisito para

el tıtulo deLicenciado en Fısica

Abstract

Using free-software tools, it is designed and built and Data Acquisition System (DAQ), hardwareand software, which has as a main function characterizing low-power solar panels, taking intoaccount the measurement of temperature, current, voltage, and irradiance, for red, green, and bluelength waves ranges. In this document it is described, in an easy way, the principal techniques tocharacterized a solar panel. Furthermore, it is explained how to develop the data acquisition, startingfrom the use and electrical connection of sensors, to the software design, through the frameworkROOT. Also, the system is evaluated by a software calibration, which helps to determine the rangesand accuracy for all the measurements made by the DAQ. Finally, it is characterized a solar panelin which is possible to identify the variables that determine the optimal function respect to theelectrical potential.

Thesis Supervisor: Jose M. FlorezTitle: Profesor Titular

Resumen

Por medio del uso de herramientas del software libre, se disena y construye un Sistema deAdquisicion de Datos (DAQ) completo, hardware y software, el cual tiene como principal fun-cion caracterizar paneles solares de baja potencia teniendo en cuenta la medicion de temperatura,corriente electrica, diferencia de potencial electrico e irradiancia en rangos de longitud correspon-dientes a los colores rojo, verde y azul. En el presente documento se describe de manera sencilla losconocimientos necesarios para abordar el problema de caracterizar un panel solar, a continuacion seexplica como se desarrolla la adquisicion de datos comenzando desde el uso y conexion electronicade sensores hasta el diseno del software que permita al usuario analizar los datos tomados me-diante el framework ROOT. Tambien se evalua el modulo mediante una calibracion con softwareque ayude a determinar los rangos y precision de cada una de las medidas realizadas por el DAQ.Para finalizar se caracteriza un panel solar en el cual se identifican las variables que determinan sufuncionamiento optimo en cuanto a la potencia electrica generada por este.

Director del trabajo de grado: Jose M. FlorezCargo: Profesor Titular

4

Agradecimientos

Agradezco, de manera muy general, a mi familia, profesores y companeros por el apoyo quehe recibido tanto durante el transcurso de mi carrera como Licenciado en Fısica, como tambien atraves de la elaboracion de este trabajo de grado. Tambien agradezco al Distrito Capital de Bogota,ya que es gracias a los aportes de cada uno de sus ciudadanos que la Universidad Distrital FranciscoJose de Caldas ofrece, entre otros, el pregrado de Licenciatura en Fısica. Tambien estoy en deudacon la comunidad de programadores que han contribuido, de manera colaborativa, a cada uno delos proyectos de Software Libre utilizados para la elaboracion del producto de este trabajo de grado,y su correspondiente documentacion teorica.

Para mı es importante recalcar, particularmente, el apoyo recibido por el director del presentetrabajo de grado, el profesor Manuel Florez (Universidad Distrital), ya que ha sido gracias a susconsejos y sugerencias, que finalmente se logra obtener el producto de un trabajo tan enriquecedorpara mi formacion como Licenciado en Fısica.

Indice general

1. INTRODUCCION 101.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2. PLANTEAMIENTO METODOLOGICO 122.1. Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2. Metodologıa, tecnicas y procedimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. FUNDAMENTACION TEORICA 133.1. Algunas variables y graficas que caracterizan un panel solar . . . . . . . . . . . . . . 133.2. Sistema de Adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1. Variables fısicas y sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2.2. Acondicionamiento de las senales electricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.3. Conversion de senales analogos a datos digitales en un protocolo entendible

para el sistema de computo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.4. Software y hardware para el desarrollo del firmware en el PIC18F2550 . . . . 283.2.5. Software para el analisis de los datos obtenidos por el DAQ . . . . . . . . . . 31

4. DESARROLLO DEL PRODUCTO 334.1. Diseno del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1.1. Conexion y acondicionamiento de los sensores de salida analoga (diferenciade potencial electrico, corriente electrica y temperatura) . . . . . . . . . . . . 33

4.1.2. Conexion del sensor de irradiancia TCS3210 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.1.3. Conexion del PIC18F2550 al puerto USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.4. Otras conexiones necesarias para el funcionamiento del PIC18F2550 . . . . . 38

4.2. Firmware para el PIC18F2550 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3. Programa para la toma y flujo de datos desde el puerto serial al progama ROOT . . 434.4. Interfaz grafica usando librerıas de ROOT para el analisis de datos . . . . . . . . . . 44

4.4.1. Ventana principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.4.2. Graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5. EVALUACION DEL PRODUCTO 535.1. Precision y medidas de la diferencia de potencial electrico . . . . . . . . . . . . . . . 535.2. Precision y medidas de la corriente electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.3. Error y valores de la potencia electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.4. Precision y medidas de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.5. Precision y medidas de la irradiancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.6. Resumen de los rangos de medida obtenidos con el DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . 565.7. Calibracion del DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5

INDICE GENERAL 6

5.8. Ajuste de la interfaz grafica para la coherencia de los datos con la precision, mınimay maxima medida de las variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6. ANALISIS DE RESULTADOS 59

7. CONCLUSIONES 64

A. Lista de Anexos 67

Indice de figuras

3-1. Circuito equivalente de una celda solar. Imagen tomada de Perpinan (2013), p. 52. . 133-2. Disposicion de electrones, huecos y corrientes que explican el circuito equivalente de

una celda solar. Imagen tomada de Perpinan (2013), p. 47. . . . . . . . . . . . . . . . 133-3. Grafico de corriente y potencia contra diferencia de potencial electrico, para mostrar

el comportamiento ideal de un panel solar. Imagen tomada de Perpinan (2013), p. 49. 153-4. Etapas de funcionamiento para un sistema de adquisicion de datos. . . . . . . . . . . 173-5. Circuito divisor de voltaje para la medicion del potencial electrico. . . . . . . . . . . 183-6. Circuito para medir corriente directamente proporcional a la diferencia de potencial

electrico V cor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193-7. Funcionamiento del sensor de temperatura LM35. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203-8. Conexion para la medicion de temperaturas mayores a 0oC con el sensor LM35.

Imagen tomada de Texas Instruments (2000b), p. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203-9. Encapsulado TO-92 para el sensor LM35. Imagen tomada de Texas Instruments

(2000b), p. 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213-10. Funcionamiento del sensor para irradiancia TCS3210. . . . . . . . . . . . . . . . . . 223-11. Encapsulado y fotodiodos, pequenos cuadros en el centro, del sensor TCS3210. Ima-

gen tomada de Texas Advanced Optoelectronic Solutions (2009), p. 1. . . . . . . . . 223-12. Circuito amplificador seguidor para la medicion de la diferencia de potencial electrico. 243-13. Circuito amplificador no inversor para la medicion de la corriente. . . . . . . . . . . 253-14. Pines del microcontrolador PIC18F2550. Imagen tomada de Microchip (2004), p. 4. . 263-15. Conexion del PIC18F2550 al puerto USB de un sistema de computo. Imagen tomada

de Microchip (2004), p. 169. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273-16. Pines y descripcion de un conector USB 2.0 tipo A. Imagen tomada de Descripcion:

Pines de los Puertos del PC (2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273-17. Proceso para la programacion de cualquier microcontrolador, especıficamente para

el PIC18F2550. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293-18. Programador para microcontroladores PIC fabricado por Electronica Digitel. Imagen

tomada de Electronica Digitel (2011), p. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303-19. Ubicacion del PIC18F2550 en el programador de Electronica Digitel. Imagen tomada

de Electronica Digitel (2011), p. 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303-20. Estrategia para que por medio de una GUI desarrollada con ROOT se analicen y

grafiquen datos tomados por el DAQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4-1. Conexion del amplificador seguidor como voltaje de referencia Vref+ al PIC18F2550. 344-2. Conexion de los pines del amplificador operacional LM324 para medir corriente y

diferencia de potencial electrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354-3. Pines y configuracion del integrado LM324. Imagen tomada de Texas Instruments

(2000a), p. 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7

INDICE DE FIGURAS 8

4-4. Conexion del sensor LM35 a la entrada analoga AN2 del PIC18F2550. . . . . . . . . 364-5. Conexion de la salida del sensor TCS3210 al pin RB0 del PIC18F2550. . . . . . . . 374-6. Conector USB 2.0 tipo B. Imagen tomada de Pinout Conector USB tipo B para

circuito impreso (2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374-7. Pines del conector USB 2.0 tipo B. Imagen tomada de Laboratorio de Electronica II

Grupo 3 (2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384-8. Conexion entre el PIC18F2550 y el puerto USB 2.0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384-9. Conexion del oscilador HS de 20MHz al PIC18F2550. . . . . . . . . . . . . . . . . . 394-10. Conexion para resetear el PIC18F2550 con un pulsador. . . . . . . . . . . . . . . . . 404-11. Conexion de un diodo led rojo al PIC18F2550 para indicar el envıo de datos al Host. 40

6-1. Corriente de cortocircuito Vs irradiancia a traves del filtro rojo. . . . . . . . . . . . . 596-2. Diferencia de potencial de circuito abierto Vs Irradiancia a traves del filtro rojo. . . 606-3. Corriente Vs Diferencia de potencial electrico para una irradiancia promedio de

938.28µW/cm2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616-4. Potencia Vs Diferencia de potencial electrico para una irradiancia casi constante de

938.28µW/cm2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Indice de tablas

1.1. Tarjetas mas comunes para la adquisicion de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1. Seleccion de fotodiodos con filtros de color mediante los pines S2 y S3 del sensorTCS3210. Tabla tomada de Texas Advanced Optoelectronic Solutions (2009), p. 2. . 22

3.2. Seleccion de la escala de frecuencia mediante los pines S0 y S1 del sensor TCS3210.Tabla tomada de Texas Advanced Optoelectronic Solutions (2009), p. 2. . . . . . . . 23

3.3. Frecuencia maxima de salida para las diferentes escalas y duracion de medio ciclo dela senal cuadrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.4. Ventajas de distintos frameworks en software libre para programar y compilar codigode microcontroladores PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.5. Algunos lenguajes y frameworks para analizar y graficar variables . . . . . . . . . . . 31

4.1. Osciladores y capacitores que se pueden conectar al PIC18F2550. Tabla tomada deMicrochip (2004), p. 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.1. Rango e irradiancia maxima detectable por los filtros del sensor TCS3210. . . . . . . 555.2. Precision para cada color detectado por el sensor TCS3210. . . . . . . . . . . . . . . 555.3. Mınima medida para cada color sensado por el dispositivo TCS3210. . . . . . . . . . 555.4. Maxima medida esperada para las irradiancias sensadas por TCS3210. . . . . . . . . 565.5. Resumen de: Precision, mınima y maxima medida de las variables obtenidas por el

DAQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.6. Comparacion de corrientes tomadas por el DAQ y el multımetro digital DT9205A

antes de la calibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.7. Comparacion de diferencias de potencial electrico tomadas por el DAQ y el multıme-

tro digital DT9205A antes de la calibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.8. Comparacion de temperaturas tomadas por el DAQ y el termometro de alcohol ?

antes de la calibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.1. Tres experiencias con irradiancias casi contantes haciendo uso de un potenciometrode 10kΩ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

7.1. Comparacion de costos para sistemas de adquisicion de datos, incluyendo sensores.Se especifican los modelos y sus valores en pesos colombianos. . . . . . . . . . . . . . 65

9

Capıtulo 1

INTRODUCCION

Los actuales sistemas computarizados para la adquisicion de datos en la instrumentacion cientıfi-ca, y aquellos especializados en la caracterizacion de paneles solares, presentan un alto costo paraestudiantes e investigadores interesados en la obtencion de curvas que identifican parametros fısicosimportantes de los distintos tipos de paneles solares. Los fabricantes de paneles solares ofrecen da-tos tecnicos que involucran la relacion entre la diferencia de potencial electrico, corriente electrica,intensidad de luz y temperatura; es ası como la medicion precisa de estos parametros mediante unsistema electronico de bajo costo y el uso de una interfaz grafica que permita el analisis de datoscon una amplia gama de ajustes de curvas, es una necesidad fundamental para investigadores conbajos recursos economicos, ademas de servir como una buena opcion para estudiantes interesadosen las caracterısticas de celdas solares ofrecidas por fabricantes que no especifican los parametrosdentro de los cuales es posible obtener la mayor eficiencia.

Dentro de las opciones mas conocidas de tarjetas para la adquisicion de datos se encuentranactualmente en la web los siguientes sistemas:

Fabricante y/omodelo

Precio (COP)Numero de

entrada analogas

National InstrumentsUSB 6000

608000 8

Arduino UNO 30000 6

Texas InstrumentsMSP-EXP430G2

30000 8

Tabla 1.1: Tarjetas mas comunes para la adquisicion de datos.

Los modelos mostrados en la anterior tabla1, corresponden a aquellos con un numero de entra-das analogas (columna 3) suficientes en la captura de las variables: Diferencia de potencial electrico,corriente electrica y temperatura; ya que para la medicion de la intensidad de luz se puede utilizarsensores de salida digital, como el TCS3210 que emite una frecuencia de senal cuadrada propor-cional a la irradiancia de tres longitudes de onda electromagnetica.

Bajo estas condiciones de costo, se plantea el objetivo de desarrollar el diseno y construccion deun sistema de adquisicion de datos (DAQ por sus siglas en ingles) que pueda medir las 4 variablesmencionadas lineas arriba con una precision y exactitud suficiente para caracterizar paneles solaresde baja potencia (12 vatios maximo) ademas de la elaboracion del software que permita observar el

1Los datos consignados se han tomado de las paginas de algunos fabricantes y disenadores de tarjetas DAQ :Arduino (2012); National Instruments (2013); Texas Instruments (2016)

10

CAPıTULO 1. INTRODUCCION 11

cambio de estas variables mediante graficos, tablas y/o analisis estadıstico para la creacion de mo-delos matematicos como regresiones exponenciales, logarıtmicas o polinomicas que el investigadorconsidere necesario en la caracterizacion de las celdas solares que componen el panel.

Objetivos

A continuacion se especifican los objetivos a cumplir con el desarrollo de este proyecto:

1. Disenar y elaborar el circuito electronico para el DAQ que mida diferencia de potencial electri-co, corriente electrica, temperatura e intensidad de la luz.

2. Realizar un programa que permita mediante el uso de un microcontrolador, tomar los datosde las variables: Diferencia de potencial electrico, corriente electrica, temperatura e intensidadde luz.

3. Crear el software, que siendo compatible con el DAQ, muestre los datos obtenidos en formade graficos o tablas, ası como las herramientas de interfaz grafica para un analisis estadıstico.

4. Evaluar el sistema de adquisicion de datos para obtener una estimacion para la resolucion yprecision de cada variable.

5. Analizar los datos de un panel solar para encontrar las condiciones optimas bajo las cualeseste puede ser usado por docentes o investigadores.

Capıtulo 2

PLANTEAMIENTOMETODOLOGICO

Problema

Un sistema de adquisicion de datos DAQ apoyado por herramientas computacionales, permiteuna exactitud y precision adecuadas ası como el analisis experimental por medio del procesamientoy analisis de datos. Es ası como se requiere el uso de la tecnologıa electronica, tanto analoga ydigital, combinada con las ciencias computacionales para lograr que investigadores puedan utilizarprogramas especializados ya sea para operaciones estadısticas o para el almacenamiento e inter-cambio de informacion entre grupos de investigacion cuyo interes corresponda al estudio de celdasy/o paneles solares.

Metodologıa, tecnicas y procedimientos

Realizada una revision de los antecedentes para sistemas de adquisicion de datos utilizados enla ensenanza e investigacion, el paso siguiente es el diseno de circuitos y pruebas experimentalespara la conversion de las variables analogas: Diferencia de potencial electrico, corriente electrica,temperatura e intensidad de la luz; a datos digitales. Con estos resultados se disena y depura elsoftware que permita tomar y procesar los datos de manera eficiente y significativa, teniendo encuenta metodos relevantes dentro de la experimentacion en la ciencia fısica ası como las limitacionesde los instrumentos de medida.

Con el sistema de adquisicion de datos DAQ, hardware y software, ya completo y funcionando, secalibra la medicion de los sensores por medio de instrumentos confiables, disenados por fabricantesreconocidos en la medicion de cada variable, despues se caracteriza un panel solar con el fin decomprobar y comparar la resolucion del problema planteado en el anteproyecto, por ultimo seresumen algunas conclusiones teniendo en cuenta las caracterısticas electricas del panel solar.

12

Capıtulo 3

FUNDAMENTACION TEORICA

Algunas variables y graficas que caracterizan un panel solar

Teniendo en cuenta el funcionamiento de los semiconductores, tipo P y N, presentes en cadauna de las celdas de un panel solar, Perpinan (2013) propone el circuito mostrado en la figura 3-1.

Figura 3-1: Circuito equivalente de una celda solar. Imagen tomada de Perpinan (2013), p. 52.

Donde IL es la corriente de iluminacion o fotocorriente debida a la luz incidente sobre la celdasolar, es decir que bajo condiciones de oscuridad IL es nula, el diodo D y su correspondientecorriente ID es el comportamiento de polarizacion directa debido a la recombinacion de electronesy huecos cuando se genera la diferencia de potencial electrico al momento de conectar un elementoconsumidor de energıa electrica:

Figura 3-2: Disposicion de electrones, huecos y corrientes que explican el circuito equivalente deuna celda solar. Imagen tomada de Perpinan (2013), p. 47.

13

CAPıTULO 3. FUNDAMENTACION TEORICA 14

A esta corriente ID tambien se le llama corriente de oscuridad ya que no depende de la intensidadde la radiacion que llega al panel solar. Este modelo contiene la resistencia en paralelo Rp, queincluye segun Perpinan (2013): “las fugas de corriente en los bordes de la celula y los posiblescortocircuitos metalicos” (p. 50), y la resistencia en serie Rs que tiene en cuenta los contactosmetalicos entre los semiconductores y su carga (Perpinan, 2013, p. 50).

De esta manera, el modelo matematico que contiene tanto la corriente I que se obtiene de unacelda solar y la diferencia de potencial electrico VD , que se le suministra al diodo es:

I = IL − ID − VDRp

(3.1)

Para reexpresar la corriente ID en terminos de la diferencia de potencial electrico VD, se puedeutilizar la ecuacion de Shockley (Perpinan, 2013, p. 46)

I = IL − I0

[exp

(VD

m ∗ VT

)− 1

]− VDRp

(3.2)

Donde I0 es la corriente de saturacion del semiconductor, m es un factor de idealidad el cual seencuentra entre 1 o 2 para cada celda y VT es el voltaje termico que depende de la temperatura Tabsoluta de la celda como se muestra a continuacion:

VT =k ∗ Te

(3.3)

En esta ecuacion k es la constante de Boltzmann y e es la carga electrica fundamental (delelectron). Teniendo presente que la diferencia de potencial electrico VD cumple la ley de mallas deKirchhoff con Rs y la diferencia de potencial electrico V ofrecido por el panel solar:

I = IL − I0

[exp

(V + I ∗Rsm ∗ VT

)− 1

]− V + I ∗Rs

Rp(3.4)

Ahora, teniendo en cuenta el modelo de Granda et al. (2013), cuando se trata de un panel solaren el que se tienen Np celdas en paralelo y Ns celdas en serie, la modificacion de la ecuacion (3.4)es:

I = Np ∗ IL −Np ∗ I0

[exp

(VNs + I∗Rs

Np

m ∗ VT

)− 1

]−

VNs + I∗Rs

Np

Rp(3.5)

Para simplificar este modelo y utilizar una ecuacion que permita realizar una regresion de I(V )se puede aproximar la resistencia en serie a cero ya que se utilizara una resistencia de carga mayora Rs:

I = Np ∗ IL −Np ∗ I0[exp

(V

Ns ∗m ∗ VT

)− 1

]− V

Ns ∗Rp(3.6)

Ademas es conveniente asumir los productos cuyo factor incluya a Np y Ns como una solavariable, para ası llegar a una ecuacion que sea la correspondiente a todo el panel solar:

I(V ) = IL − Io

[exp

(V

m ∗ VT

)− 1

]− V

Rp(3.7)

Es ası que ahora las variables tienen los siguientes significados:

IL es la fotocorriente debida a todas las celdas en paralelo.


Io es la corriente de saturacion de todos los semiconductores de las celdas en paralelo.

m es el factor de idealidad de todas las celdas en serie.

Rp es la suma de todas las resistencias de cada celda en serie.

Una curva de este tipo, muestra que existe una unica resistencia de carga, dada una irradianciaconstante sobre el panel, para el cual se consigue la maxima potencia, este punto conocido comoMPP (maximum power point) (Farah y Gonzalez, 2012, p. 4). En otras palabras el mayor productoI ∗ V , o maximo de la curva:

P = V ∗ I (3.8)

P (V ) =

IL − I0

[exp

(V

m ∗ VT

)− 1

]− V

Rp

∗ V (3.9)

Donde P es la potencia electrica en Vatios. Entonces al momento de hacer una regresion con laecuacion anterior, es posible identificar graficamente la corriente del MPP Impp y su correspon-diente diferencia de potencial electrico V mpp del grafico P (V ):

Figura 3-3: Grafico de corriente y potencia contra diferencia de potencial electrico, para mostrar elcomportamiento ideal de un panel solar. Imagen tomada de Perpinan (2013), p. 49.

El anterior grafico muestra la corriente de cortocircuito Isc (short circuit) cuando la resistenciade carga es casi nula ( I(0V ) ≈ IL ≈ Isc ), y la diferencia de potencial electrico de circuito abiertoV oc (open circuit) con corriente cero ( I(V oc) = 0A ).

Las anteriores variables, determinadas mediante regresiones de I(V ) y P (V ) se relacionan tantopara un valor llamado factor de forma FF como para cuantificar la eficiencia η (Perpinan, 2013, p.49)

FF =Impp ∗ V mppIsc ∗ V oc

≈ Impp ∗ V mppIL ∗ V oc

(3.10)

η =Impp ∗ V mpp

PL(3.11)

Para la eficiencia η, PL es la potencia luminosa que incide sobre el panel solar, es decir que conuna irradiancia total S en W/m2 que incide sobre el panel solar con area A:


PL = S ∗A (3.12)

η =Impp ∗ V mpp

S ∗A(3.13)

Por otra parte, como la fotocorriente IL se puede asumir directamente proporcional a la intensi-dad de radiacion S (Perpinan, 2013, p. 52), se tiene un factor de concentracion o nivel de irradianciaX incidente en soles:

X =IL(S)

IL(1Sol)=

S

1000W/m2(3.14)

Donde IL(1Sol) es la corriente Isc cuando incide una irradiancia de 1000W/m2, es decir queX cambia dependiendo de la corriente IL ; reescribiendo la ecuacion (3.14) se tiene que para unacorriente ILo debido a la irradiancia So se puede determinar IL en funcion de S:

IL(S) = S ∗(

IL(1Sol)

1000W/m2

)= S ∗

(ILoSo

)(3.15)

Entonces se puede encontrar mediante una regresion lineal de IL(S) la relacion entre parentesisque es teoricamente constante para cualquier valor de irradiancia.

Con la ecuacion (3.7) y asumiendo que Rp es mucho mayor a la resistencia de la carga:

I = IL − I0

[exp

(V

m ∗ VT

)− 1

](3.16)

0 = IL − I0

[exp

(V oc

m ∗ VT

)− 1

](3.17)

Reemplazando IL de la ecuacion (3.15) y despejando V oc:

V oc(S) = m ∗ VT ∗ ln[S

I0

(ILoSo

)+ 1

](3.18)

Determinadas las variables: Factor de idealidad m, el potencial termico VT , la corriente desaturacion Io y la relacion (ILo/So); se tiene que la dependencia de la diferencia de potencialelectrico en circuito abierto V oc con la arradiancia es logarıtmica.

Sistema de Adquisicion de datos

Para la medicion de variables analogas como la temperatura o la corriente, se pueden utilizarinstrumentos de medida sencillos como termometros o galvanometros, sin embargo en la actualidadse presenta la opcion de analizar estas variables mediante sistemas computarizados, que no solopermiten una razon de muestreo significativa sino que ademas logran almacenar estos datos parasu posterior analisis o incluso ser compartido con otros investigadores. Ası, como complemento delDAQ, se disenara e implementara un software que permita analizar los datos obtenidos de unamanera adecuada para el investigador.

Todo sistema de adquisicion de datos presenta las siguientes etapas para la conversion de lassenales fısicas, tomadas por los sensores, a datos digitales con posibilidad de ser mostrados y


analizados por un sistema de computo:

Figura 3-4: Etapas de funcionamiento para un sistema de adquisicion de datos.

En las secciones siguientes se explicaran los bloques de la figura anterior.

Variables fısicas y sensores

Las variables fısicas o variables medibles para hacer una caracterizacion basica de un panelsolar, teniendo presente los datos y graficos especificados por los fabricantes de estos dispositivosson:

Diferencia de potencial electrico

Es la diferencia de potencial electrico producida por el panel solar y puede ser medida de maneradirecta entre el polo positivo y negativo o mediante el siguiente circuito divisor de diferencia depotencial electrico:


Figura 3-5: Circuito divisor de voltaje para la medicion del potencial electrico.

Este circuito permite una disminucion de la diferencia de potencial electrico directamente pro-porcional al suministrado por el panel solar:

V out =R4

R4 +R1 +R3× V panel (3.19)

Para el caso de los resistores mostrados en la figura 3-5 , la diferencia de potencial electricoV out depende del potencial de panel solar por:

V out =100kΩ

100kΩ + 570kΩ× V panel =

10

67× V panel (3.20)

Es decir que para un panel solar que proporcione maximo 20 voltios, el V out obtenido sera de2.99 voltios y el consumo de corriente para el sensado de la diferencia de potencial electrico es:

V panel

R1 +R2=

20V

100kΩ + 570kΩ= 0.0299mA (3.21)

que es una corriente muy pequena, a comparacion de la corriente que puede llegar a requerir undiodo led de 3.5V , y sirve como ejemplo para demostrar la ventaja de utilizar grandes resistenciasque eviten un consumo de corriente significativo por parte del circuito divisor de diferencia depotencial electrico.

Corriente electrica

Es la corriente electrica que proporciona el panel solar cuando entre los conectores de este seencuentra una elemento consumidor de energıa electrica, para medir esta variable se puede utilizarel siguiente circuito:


Figura 3-6: Circuito para medir corriente directamente proporcional a la diferencia de potencialelectrico V cor.

La diferencia de potencial electrico V cor que se encuentra entre los pines del resistor Rp, es unamedida de la corriente I que pasa a traves de la Carga:

V cor = Rp ∗ I (3.22)

Es necesario tener en cuenta que el bajo valor del resistor Rp permite no alterar de manerasignificativa el consumo de corriente electrica:

I =V panel

Rcarga+Rp≈ V panel

Rcarga(3.23)

Lo cual muestra que el resistor Rp afecta muy poco la medida de la corriente a traves de Rcarga,ademas es importante que el resistor a utilizar soporte una potencia significativa, es decir usar loque en el mercado electronico se conoce como resistor de potencia”. Para ejemplificar lo anterior, sepuede suponer que un panel solar tiene una capacidad de corriente maxima de 0.8A, ası la potenciaelectrica que debe soportar Rp es:

(0.8A)2 ∗ 3.9Ω = 2.50W (3.24)

2.50W de potencia puede ser considera alta teniendo en cuenta que los resistores de carbon,comunes en el diseno electronico, estan disenados para soportar hasta un maximo de 2W .

Temperatura

Es una medida de la energıa termica del panel solar, al igual que cualquier sensor de temperaturarequiere del equilibrio termico con el material a sensar, por tanto es importante tener en cuenta lossiguientes dos aspectos:

Entre menor sea la cantidad de masa, del sensor a comparacion de la del panel solar, menorsera el cambio de temperatura por el contacto con el sensor, ası como un tiempo corto paraalcanzar el ya mencionado equilibrio termico.


El sensor permite medir la temperatura de la zona con la cual esta haciendo contacto pormedio de la transferencia de calor por conduccion, ası es importante asumirla, al momentode analizar su medicion, como la temperatura de esa parte especıfica del panel solar.

Entre las opciones para medir la temperatura (como termistores, RTD o termopares) se encuen-tra el dispositivo semiconductor LM35 de Texas Instruments, que permite obtener una diferenciade potencial electrico directamente proporcional a su temperatura por medio de la densidad decorriente en el material semiconductor con el cual esta fabricado el sensor (Tyagi, 2013):

Figura 3-7: Funcionamiento del sensor de temperatura LM35.

A una razon de 10mV/oC y con una diferencia de potencial electrico de alimentacion entre 4Vy 20V , este dispositivo cuenta con una precision, proporcionada en el manual de Texas Instruments(2000b), de 0.5oC presentando ası un cambio mınimo de 5mV en su salida:

Figura 3-8: Conexion para la medicion de temperaturas mayores a 0oC con el sensor LM35. Imagentomada de Texas Instruments (2000b), p. 2

Donde V s es la diferencia de potencial electrico de alimentacion y como el tıpico valor conel que trabajan los dispositivos digitales es de 5V , entonces es posible que al sensor se le puedaproporcionar la diferencia de potencial electrico del circuito con el cual funcionara el DAQ. Los


fabricantes de este sensor, Texas Instruments (2000b), proporcionan tres tipos de encapsulado,entre los cuales se destaca por su pequeno tamano, el TO-92 :

Figura 3-9: Encapsulado TO-92 para el sensor LM35. Imagen tomada de Texas Instruments (2000b),p. 14.

Ası las dimensiones de este encapsulado para el sensor LM35 se puede aproximar al tamanode un paralelepıpedo recto de dimensiones 5.2mm × 4.19mm × 5.2mm. Por otra parte la masa esde aproximadamente 175mg, mucho menor que la cantidad de materia de un panel solar con unpotencia aceptable para aplicaciones como el movimiento de un motor de juguete o el encendidode un diodo led.

Intensidad de la luz

Es la relacion entre la potencia y el area de la superficie sobre la cual actuan las ondas electro-magneticas, idealmente se utiliza como objeto teorico un cuerpo negro que tiene la capacidad deabsorber toda la radiacion electromagnetica que llega a ella, de esta manera todas las intensidadesde las longitudes de onda contribuiran a la intensidad de la luz. Ahora, en el caso de los panelessolares solo la intensidad de algunos rangos de longitud de onda permiten el efecto fotovoltaicosobre los materiales, generalmente silicio, con que estan hechas las celdas solares.

Entre las opciones que se encuentran para medir la intensidad de la luz del espectro electro-magnetico (espectrofotometro), Acosta et al. (2006) menciona al monocromador Czerny Turner,que utiliza un colimador optico, para las ondas electromagneticas provenientes de una fuente de luzcercana, posteriormente estos rayos son difractados por una red de difraccion (o dispersada en elcaso de usar un prisma), despues reflejados por un espejo y por ultimo (con el uso de una ranura)la intensidad de la luz monocromatica es medida con un sensor de radiacion o fotodetector, queactualmente utiliza las propiedades electricas de fotodiodos.

Teniendo en cuenta la complejidad del espectrofotometro descrito lineas arriba, ası como su altocosto, ya sea por partes o completo, es posible utilizar sensores sencillos que miden la intensidadde luz por medio de fotodiodos. Dentro de las opciones que ofrecen los importadores de elementoselectronicos en Bogota, se encuentra el TCS3210 con un costo de 25000 COP el cual cuenta conun arreglo de 24 fotodiodos: 6 con filtro para el color azul, 6 para el color verde, 6 para el colorrojo y otros seis sin filtro de color. Al usar un sensor TCS3210, es importante tener en cuentaque con este no se puede obtener el espectro de un amplio rango de longitudes de onda, comoel de un espectrometro, pero tiene la posibilidad de dar un valor aproximado de la intensidadcorrespondiente a tres colores del espectro visible.


El dispositivo de TCS3210, de TAOS (Texas Advanced Optoelectronic Solution), puede trabajarcon una diferencia de potencial electrico de alimentacion de 5V , por lo tanto, al igual que el LM35, esapto para conectar a la alimentacion del sistema de adquisicion de datos DAQ. A diferencia de otrossensores electronicos, este dispositivo cuenta con un conversor de corriente a frecuencia que permiteuna salida de senal cuadrada con un 50 % de ciclo util y frecuencia directamente proporcional a laintensidad de luz recibida por los fotodiodos. En resumen el funcionamiento basico de este sensor, deacuerdo a su fabricante (Texas Advanced Optoelectronic Solutions, 2009, p. 1), se puede representarmediante el siguiente diagrama de bloques:

Figura 3-10: Funcionamiento del sensor para irradiancia TCS3210.

La seleccion de los fotodiodos, entre los de filtro rojo, verde, azul o sin filtro, se realiza mediante0V o 5V en los pines S2 y S3 del sensor:

Figura 3-11: Encapsulado y fotodiodos, pequenos cuadros en el centro, del sensor TCS3210. Imagentomada de Texas Advanced Optoelectronic Solutions (2009), p. 1.

Tabla 3.1: Seleccion de fotodiodos con filtros de color mediante los pines S2 y S3 del sensorTCS3210. Tabla tomada de Texas Advanced Optoelectronic Solutions (2009), p. 2.


Ası por ejemplo, cuando se requiera medir la intensidad de la irradiancia en un rango de longitudque se encuentre aproximadamente entre el color azul, es necesario suministrar 0V en S2 y 5V enS3.

En cuanto a la seleccion del divisor de frecuencia, esta se proporciona para que el manejo de lamedicion, y especıficamente medir la frecuencia, se ajuste a las capacidades del circuito al momentode procesar los cambios entre 0V y 5V , ya que entre mas rapidos, o frecuentes, sean estos cambioses mayor la velocidad que debe tener el DAQ. Al igual que para los diodos, la seleccion de la escalade frecuencia de salida se realiza mediante dos pines del TCS3210 :

Tabla 3.2: Seleccion de la escala de frecuencia mediante los pines S0 y S1 del sensor TCS3210.Tabla tomada de Texas Advanced Optoelectronic Solutions (2009), p. 2.

Como es evidente, el uso de una escala menor exige menos frecuencia para tomar informacioncon el DAQ, pero a cambio de esta facilidad, la maxima precision del sensor es desaprovechada.Ahora, para el caso especıfico del proyecto a realizar, se tiene la posibilidad de detectar cambios en elorden de los microsegundos y para una escala de 100 % el fabricante (Texas Advanced OptoelectronicSolutions, 2009, p. 3) especifica una salida maxima de 600kHz:

Escala de frecuenciapara la salida

Frecuencia maximade salida

Tiempo de mediociclo

100 % 600kHz 0.833 microsegundos

20 % 120kHz 4.17 microsegundos

2 % 12kHZ 41.7 microsegundos

Tabla 3.3: Frecuencia maxima de salida para las diferentes escalas y duracion de medio ciclo de lasenal cuadrada.

Es ası como para un DAQ que pueda detectar el cambio entre 0V y 5V en el orden de losmicrosegundos, la mejor opcion sea una escala de 2 %, que a pesar de ser la menos precisa es la masadecuada para medir altas intensidades de luz, es decir intervalos en los cuales los 5V o 0V durenmınimo 41 microsegundos.

Acondicionamiento de las senales electricas

En el diagrama de la figura 3-4 se muestra como, para algunos sensores, es necesario un acon-dicionamiento de las senales electricas arrojadas por dispositivos cuya variable fısica de entradaesta relacionada con: Diferencia de potencial electrico, resistencia, capacitancia, inductancia o co-rriente. Para que este acondicionamiento sea el mas adecuado en la instrumentacion electronica, sesuele utilizar circuitos integrados con amplificadores operacionales (AO), ya que de estos es posibleaprovechar: Su alta impedancia de entrada, que evita una alteracion significativa de la impedanciade los sensores y del DAQ ; y la gran variedad de circuitos que se pueden llevar a cabo al momento


de multiplicar, diferenciar, integrar, entre otras operaciones matematicas, que sean necesarias almomento de convertir senales analogas (como la diferencia de potencial electrico) a datos digitales.

A continuacion se mencionan los dos circuitos que con AO son requeridos para el desarrollo delDAQ, y mas especıficamente para los sensores de salida analoga (diferencia de potencial electricoy corriente) a utilizar en la caracterizacion de un panel solar:

Amplificador seguidor para la medicion de la diferencia de potencial electrico:

Figura 3-12: Circuito amplificador seguidor para la medicion de la diferencia de potencial electrico.

El objetivo de este montaje es impedir que la impedancia, o la relacion entre la diferencia depotencial electrico y la corriente electrica a traves del sensor, se vea afectada de manera significativapor el consumo de corriente en el bloque de conversion analoga a digital, o en otras palabras que elDAQ no altere de manera importante el dato analogo arrojado por el sensor (Cirovic, 1995, p. 451).Es importante tener en cuenta que para el tipo de AO mostrado en la figura 3-12, la diferencia depotencial electrico V1 entre el pin 4 y 11, delimita -idealmente- el maximo valor Vout de salida:

V out = V in para V in <= V 1

V out = V 1 para V in > V 1(3.25)


Amplificador no inversor para la medicion de corriente:

Figura 3-13: Circuito amplificador no inversor para la medicion de la corriente.

Este circuito permite amplificar la diferencia de potencial electrico Vcor de la ecuacion (3.22)para medir corrientes en el orden de 0.1mA mediante la siguiente relacion (Cirovic, 1995, p. 442):

Vcor−amp = Vcor ∗R8 +R11 +R9

R8= Vcor ∗

3.9kΩ + 28kΩ

3.9kΩ= Vcor ∗

319

39(3.26)

Conversion de senales analogos a datos digitales en un protocolo entendible parael sistema de computo

Para la conversion de la senal cuadrada del sensor TCS3210 y de las analogas de: Diferencia depotencial electrico, corriente y temperatura; despues del acondicionamiento de senal, existen opcio-nes como el uso de integrados que realizan la conversion de frecuencia (de una senal cuadrada) adiferencia de potencial electrico -integrado LM3311-, y de diferencia de potencial electrico a datosdigitales -integrado ADC08042-. Sin embargo gracias a que los actuales microcontroladores contie-nen modulos de ADC (Analog-to-Digital Converter) y adicional a esto cuentan con la posibilidadpara la comunicacion por puerto USB (Universal Serial Bus); es posible utilizar un solo integradoque tome los datos de los sensores para despues traducirlos al protocolo de comunicacion por USB.

Dentro de las opciones de microcontroladores que cumplan con los requisitos mınimos necesarios:una entrada digital para medir cambio de unos y ceros digitales, tres entradas analogas, un pinpara la diferencia de potencial electrico de referencia maximo de las entradas analogas y un modulopara puerto USB ; el fabricante Microchip ofrece la familia de microcontroladores PIC18F, de loscuales los dispositivos mas populares e importados por las tiendas de electronica en Bogota sonel PIC18F4550 y el PIC18F2550, que difieren principalmente en el numero de entradas y salidas.Ahora, de acuerdo a los sensores mencionados en la introduccion, el PIC18F2550 cumple con las

1Para mas informacion sobre este integrado, se puede consultar sus datos tecnicos en Texas Instruments (2015b)2En Texas Instruments (2015a) se encuentran las especificaciones tecnicas del conversor analogo-digital ADC0804


entradas necesarias, al igual que el PIC18F4550, pero como el segundo tiene muchos mas pines delos necesarios, la mejor seleccion es el dispositivo PIC18F2550 (Microchip, 2004).

Figura 3-14: Pines del microcontrolador PIC18F2550. Imagen tomada de Microchip (2004), p. 4.

Los pines AN# son las doce conexiones con posibilidad de ser utilizados como entrada analoga,entre ellos se tiene el pin 5, AN3, que es una entrada en la cual, a traves de la programacion delintegrado, es posible dar una diferencia de potencial electrico maximo que servira para referenciarel lımite de potencial para la conversion al maximo valor digital, de tal manera que la resolucion delas demas entradas analogas viene dada por la diferencia de potencial electrico Vref+ y el numerode bits con los cuales se trabajara el dato digital, para el caso del PIC18F2550 los bits para laconversion ADC es 10 bits, por tanto la resolucion, que da la precision de la diferencia de potencialelectrico detectado en los pines AN# es (Microchip, 2004, p. 255-258):

Resolucion =(Vref+) − (Vref-)

11111111112 + 12=

Vref+

102310 + 110=

Vref+

102410(3.27)

Donde Vref- puede ser programado para indicar la diferencia de potencial electrico mınimo dela conversion analoga a digital, pero como, de acuerdo a los sensores utilizados, la diferencia depotencial electrico de salida mınimo de los dispositivos es cero, entonces se usara el Vref- por defectopara el PIC18F2550, diferencia de potencial electrico nulo.

En cuanto al modulo para comunicacion por puerto USB, el microcontrolador dispone los pinesD+, D- y VUSB, donde los dos primeros son los habituales a cualquier dispositivo que funcionebajo USB 2.0, y VUSB es una diferencia de potencial electrico de referencia para el funcionamientointerno de las senales recibidas por D+ y D- del microcontrolador, segun Microchip (2004) serecomienda las siguientes conexiones al momento de conectar a uno de los puertos HUB usb delsistema de computo (Host Controller) :


Figura 3-15: Conexion del PIC18F2550 al puerto USB de un sistema de computo. Imagen tomadade Microchip (2004), p. 169.

Para el capacitor entre VUSB y tierra, se recomienda una capacitancia de 220nF que estabilicelas senales (filtro pasa-bajo) dentro del microcontrolador (Microchip, 2004, p. 169). Los pines delconector hembra USB 2.0 tipo A, en las computadoras, estan distribuidos de la siguiente manera:

Figura 3-16: Pines y descripcion de un conector USB 2.0 tipo A. Imagen tomada de Descripcion:Pines de los Puertos del PC (2006).

Ası, de los pines 1 y 4 se da la opcion para alimentar el dispositivo USB -ya sea una memoria,mouse, teclado, joystick, entre otros- sin necesidad de una fuente externa de corriente continua;para el caso del DAQ, como los sensores y el PIC18F2550 trabajan con 5 voltios, y corrientetotal no superior a 100mA (flujo de carga para el puerto USB de la mayorıa de los sistemas decomputo), entonces es posible aprovechar la corriente del ordenador para la alimentacion del sistemade adquisicion de datos sin la necesidad de un fuente externa.

Para que cualquier dispositivo se pueda comunicar vıa USB a un sistema de computo necesitaespecificar la clase, por medio del firmware (instrucciones de maquina para propositos especıfi-cos) del DAQ, es decir el protocolo con el cual el Host (computador) reconocera y se comunicaracon el PIC18F2550. Entre las clases mas usuales del puerto USB se encuentran segun la fuenteComunicacion USB con el PIC PIC18F4550 (2013):

1. HID (Human Interface Device): Utilizada para dispositivos de interfaz con el usuario,


como por ejemplo teclados, mouse o joystick.

2. MSD (Mass Storage Device): Se usa para el almacenamiento de datos como discos durosexternos, memorias flash o dispositivos moviles.

3. CDC (Communications Device Class): Es utilizada por los modems y permite un tipode comunicacion bidireccional con la opcion de emular un puerto serial, o RS232, tıpico enlos ordenadores de hasta hace 15 anos aproximadamente.

Entre las tres opciones citadas anteriormente, la mas adecuada para el envıo de datos del DAQhacia el sistema de computo, es el CDC, esto principalmente por dos razones: La primera, porquela comunicacion serial, a pesar de su desuso como puerto fısico en las computadoras actuales, siguesiendo una opcion en los lenguajes de programacion mas populares -como java, c++, python, entreotros-; y la segunda es por su sencillez para ser programado dentro del firmware del PIC18F2550.

Software y hardware para el desarrollo del firmware en el PIC18F2550

Es necesario programar el PIC18F2550 con codigo en lenguaje binario para que las medidastomadas por los sensores (diferencia de potencial electrico, corriente, temperatura e irradiancia)sean enviadas por el puerto USB 2.0. Programar en un lenguaje de bajo nivel como el hexadecimal(el mismo codigo binario transformado a base 16) resulta ser una tarea muy complicada con un gastode tiempo de trabajo significativo, para simplificar el proceso, en la actualidad se pueden utilizarlenguajes de alto nivel, como C, con compiladores que traducen los algoritmos de instrucciones mascomunes del lenguaje humano; como condicionales, bucles u operaciones matematicas; a codigohexadecimal. Consultando en internet, Montiel (2010) y otros sitios web presentan, dentro de lasopciones de software libre para disenar y compilar firmware compatible con los microcontroladoresde Microchip, se ofrecen las siguientes alternativas:

1. Gputils: GNU Pic Utilities es un proyecto que permite el paso de lenguaje ensambladoro lenguaje maquina a un archivo .hex. Si bien las instrucciones consisten en mnemonicoscompatibles con el lenguaje humano (como mover, borrar, sumar, restar o saltar) aun setiene cierta dificultad cuando se necesita hacer una operacion comun como la multiplicaciono bloques condicionales.

2. SDCC: Small Device C Compiler, compila lenguaje C para algunos procesadores y micro-controladores, entre los ultimos se incluye la familia de PIC16 y PIC18.

3. PICGCC: PIC GNU Compiler Collection, permite la programacion en lenguaje C, basadoen uno de los compiladores C, C++ mas comunes del software libre, para la familia de PIC16Fde una manera muy similar a SDCC.

4. JAL V2: Just Another Languaje Version 2 es una opcion sencilla al momento de programarcualquier PIC con un lenguaje de alto nivel similar a Pascal, pero con su propia sintaxis,documentacion y ejemplos. Actualmente, para su segunda version, sus desarrolladores y cola-boradores intentan que sus librerıas sean actualizadas, mejoradas y depuradas semanalmente(Jallib Group, 2016).

Para estas 4 opciones es importante senalar que cada una tiene sus ventajas y desventajasrespecto a compiladores con licencia privativa como CCS o MPLAB, aun ası su objetivo, segunlas opiniones que se mencionan en internet, es cumplido con satisfaccion para la mayorıa de lasaplicaciones. Ahora, al momento de seleccionar el compilador mas apropiado para el DAQ, las


mas faciles de utilizar son SDCC, PICGCC y JAL V2 ya que es mas economico programar en unlenguaje de alto nivel en comparacion a el lenguaje maquina del Gputils. Haciendo una consulta masespecefica se llega a la conclusion que JAL V2 cumple con las funciones necesarias para disenar ycompilar el firmware del PIC18F2550, las razones de su seleccion se explican en el siguiente cuadrocomparativo:

COMPILADORLenguajede altonivel

Conocimientosbasicos para

su aprendizaje

Soportepara

PIC18F2550

Constancia en laactualizacion del

software

Gputils X X

SDCC X X X

PICGCC X X

JAL V2 X X X X

Tabla 3.4: Ventajas de distintos frameworks en software libre para programar y compilar codigo demicrocontroladores PIC.

Ası el lenguaje JAL V2, y su compilador, son suficientes para el diseno y compilacion del firm-ware a codigo hexadecimal (Jallib Group, 2010, p. 20). A continuacion se debe grabar el firmware enel integrado PIC18F2550, para esto se selecciona tanto el software como el hardware que permitaningresar codigo de un archivo .hex al integrado:

Figura 3-17: Proceso para la programacion de cualquier microcontrolador, especıficamente para elPIC18F2550.

En la figura 3-17 se muestra que el hardware utilizado para grabar el PIC18F2550 requiereconexion mediante puerto USB. Son muchos los programadores que se encuentran en el mercadode dispositivos electronicos, la mayorıa fabricados por Microchip, pero tambien esta la opcion deprogramadores genericos y economicos, como el proporcionado por Electronica Digitel (ElectronicaDigitel, 2011), mostrado en la siguiente figura:


Figura 3-18: Programador para microcontroladores PIC fabricado por Electronica Digitel. Imagentomada de Electronica Digitel (2011), p. 1.

La forma de ubicar el PIC18F2550, al tener 28 pines, en el zocalo azul debe ser el siguiente:

Figura 3-19: Ubicacion del PIC18F2550 en el programador de Electronica Digitel. Imagen tomadade Electronica Digitel (2011), p. 4.

Donde los pares de cuadros rojos indican la necesidad de colocar algunos jumper especıficospara cualquier microcontrolador de 28 o 40 pines.

El software privativo y gratuito que comunica al computador, donde se encuentra el archivo.hex, para enviar datos binarios, al grabador PIC es, entre muchas opciones, el PICkit en su segun-da version; esta se selecciona ya que Electronica Digitel (2011) recomienda el uso de este programaen su manual del usuario (pagina 15). PICkit 2 posee una interfaz grafica sencilla cuando es uti-lizado desde Windows, pero al momento de ser usado desde un sistema Linux, se puede emplearel programa pk2cmd, que es un binario ejecutable desde la terminal de comandos (Desde Linux,2014).


Software para el analisis de los datos obtenidos por el DAQ

Son multiples los lenguajes de programacion con posibilidad de manejar la comunicacion deun puerto serial e implementar una interfaz grafica, entre ellos, en la red internet se encuentrasuficiente documentacion sobre las siguientes opciones, algunas mas populares que otras, dentro dela comunidad cientıfica que hace uso del software libre: Python, Java y C++. Ahora, para cadauno de estos lenguajes es posible realizar interfaces graficas (GUI ) con objetos especializados en elanalisis de datos estadısticos, es decir librerıas y/o frameworks con la opcion de analizar y graficarvariables:

Lenguaje Framework opcional parael analisis de datos

Python mlpy

Java Easy Java Simulations

C++ ROOT

Tabla 3.5: Algunos lenguajes y frameworks para analizar y graficar variables

Las tres opciones mencionadas en la tabla 3.5 son todas, segun la informacion y opinionesen algunos los foros de internet3, suficientes para el analisis de variables fısicas; entre ellos sepuede destacar ROOT, que es un framework desarrollado dentro de la Organizacion Europea parala Investigacion Nuclear (CERN ) en el analisis de datos concernientes a la fısica de partıculasu otros campos. El significado de las siglas ROOT es “Rapid Object-Oriented Technology”(Brun, 1998), de estas iniciales se resalta el hecho de que, tal como se espera de los lenguajes deprogramacion como C++, es posible hacer uso de la programacion orientada a objetos, que en pocaspalabras significa contar con los metodos y variables de una gran variedad de clases pre-disenadasy proporcionadas por las mismas librerıas de ROOT, y tambien como opcion importante crearclases derivadas o herederas con las funciones y caracterısticas que se vayan necesitando durante laconstruccion del programa (ROOT Team, 2013, p. 25).

En cuanto a la comunicacion vıa puerto serial (emulada mediante la clase CDC del puertoUSB), el lenguaje C++ ofrece la opcion de hacer uso de la clase SerialPort de la librerıa libserialespecializada en los datos que entran o salen por un puerto RS232 (Gonzalez, 2009), que para elDAQ a elaborar solo necesitara del proceso de lectura, sin que el computador de algun tipo deorden al microcontrolador PIC18F2550.

Buscando en la web y mas concretamente en la pagina de ROOT ( https://root.cern.ch/),la unica informacion disponible sobre el acceso a puerto serial hace referencia a un foro en el cualse plantea una solucion que requiere un conocimiento profundo sobre el interprete CINT utilizadopara la depuracion de codigo con ROOT (Serial port acces, 2006), de acuerdo a esto se puedeimplementar la siguiente alternativa: Disenar y compilar un programa en codigo C++, sin el usode ROOT, encargado de solamente obtener datos de uno de los puertos seriales, para que desdeel codigo de la interfaz grafica (GUI ), sean solicitadas estas variables, que seran decodificadasy operadas -matematicamente- para pasarlas a formatos graficos y tablas del mismo ROOT. Enresumen:

3Para mas informacion sobre el framework mlpy puede consultar a Albanese et al. (2012) ası como tambien sobreEasy Java Simulations en Esquembre (2015)

https://root.cern.ch/


Figura 3-20: Estrategia para que por medio de una GUI desarrollada con ROOT se analicen ygrafiquen datos tomados por el DAQ.

Donde la parte del proceso en la figura 3-20 enmarcado por el rectangulo de linea discontinuacorresponde a los pasos que ocurren internamente en el host o sistema de computo explicadoanteriormente, debido a que en los sistemas operativos como windows o linux, es posible encontrarelementos fısicos que hacen uso del protocolo de comunicacion serial, se tienen uno o mas puertosseriales sin contar con el DAQ -ademas la clase CDC (Communications Device Class) del USBsirve para otros dispositivos como modems (Comunicacion USB con el PIC PIC18F4550, 2013), faxo sistemas embebidos-. Para seleccionar el puerto, es importante que desde la interfaz grafica GUIsea especificado, no solo una solicitud o lectura de los datos seriales, sino que ademas cual fue elnombre que el sistema operativo le ha dado al DAQ (Gonzalez, 2009).

Una forma simple para que los datos sean enviados desde el programa que realiza la lecturadel puerto serie al GUI, es que el valor de las variables fısicas sean enviadas a un archivo plano deuna sola linea o renglon que despues sea leıda por medio de los metodos fopen y fgets de la librerıastdio de la biblioteca estandar del lenguaje C.

Capıtulo 4

DESARROLLO DEL PRODUCTO

Diseno del circuito

Conexion y acondicionamiento de los sensores de salida analoga (diferencia depotencial electrico, corriente electrica y temperatura)

El desarrollo del DAQ comienza con la acondicionamiento de las senales dadas por los sensores;en particular con los circuitos ya mencionados para la medicion de corriente y diferencia de potencialelectrico. Estos dos sensores arrojan una diferencia de potencial electrico directamente proporcionala la medida de las variables fısicas (ecuacion 3.20 y 3.22). El diseno del amplificador seguidor yno inversor de las figuras 3-12 y 3-13 deben tener en cuenta, idealmente, las ecuaciones (3.25) y(3.26), pero al momento de conectar entre los pines 4 y 11 del amplificador operacional a utilizar,el LM324 1, los 5 voltios del puerto USB de un computador de escritorio, se mide que la maximadiferencia de potencial electrico Vout es de 2.98V , diferencia de potencial que corresponde al 59.6 %de 5V o sea V1. Estos valores experimentales, permiten que las ecuaciones (3.25) y (3.26) teoricasse reescriban:

V out = V in para V in <= 2.98V

V out = 2.98V para V in > 2.98V(4.1)

Vcor−amp = Vcor ∗319

39para Vcor ∗

319

39<= 2.98V

Vcor−amp = 2.98V para Vcor ∗319

39> 2.98V

(4.2)

Entonces el potencial de salida de los sensores de la diferencia de potencial electrico (figura 3-5y 3-12) y corriente (figuras 3-6 y 3-13), si son mayores a 2.98V , por ejemplo 4V , los pines AN# delPIC18F2550 (ver figura 3-14) detectaran 2.98V . Ahora teniendo en cuenta la ecuacion (3.27):

Resolucion =Vref+

102410

En la cual Vref+ es la maxima diferencia de potencial electrico que el conversor analogo a digitalrecibira de entrada, y como no va a ser superior a 2.98V , se tiene que:

1El integrado LM324 contiene cuatro amplificadores operacionales en su interior (Texas Instruments, 2000a, p. 2).

33

CAPıTULO 4. DESARROLLO DEL PRODUCTO 34

Vref+ = 2.98V (4.3)

Que van conectados al pin Vref+ del microcontrolador. Una forma sencilla para asegurarse quesea esa la diferencia de potencial electrico maximo, es con el amplificador seguidor (figura 3-12)con V in = 5V y V 1 = 5V para que V out = 2.98V :

Figura 4-1: Conexion del amplificador seguidor como voltaje de referencia Vref+ al PIC18F2550.

Donde las flechas hacia arriba son los 5V cedidos por el puerto USB del computador, comoya se menciono, el objetivo del circuito de la figura 4-1 es acondicionar la senal para que la altaimpedancia del amplificador proporcione una corriente suficiente que evite disminuir de manerasignificativa la diferencia de potencial electrico cedido por los sensores de corriente y diferencia depotencial:


Figura 4-2: Conexion de los pines del amplificador operacional LM324 para medir corriente ydiferencia de potencial electrico.

Donde se han combinado los circuitos de las figuras 3-5, 3-6, 3-12, 3-13 y 4-2; para que lassenales que llegan a los pines AN0 y AN1 sean lo mas cercano posible a los correspondientesde las ecuaciones (3.20), (3.22) y (3.26) (de los sensores de corriente y diferencia de potencialelectrico), tambien se ha conectado un potenciometro de 1kΩ, no incluido en el DAQ a disenar,pero que puede permitir al investigador variar la corriente que se trata de obtener del panel solar.El integrado LM324 contiene cuatro amplificadores operacionales:


Figura 4-3: Pines y configuracion del integrado LM324. Imagen tomada de Texas Instruments(2000a), p. 2.

De los cuales se ha utilizado el 1, 2 y 3; de la salida del primero al PIC18F2550 se obtiene lamedida de la diferencia de potencial electrico del circuito de la figura 3-12, del segundo la medidade la corriente de la figura 3-13 y del tercero el Vref+ de la figura 4-1. Despues de revisar los datostecnicos del sensor de temperatura LM35, se puede llegar a la conclusion que la senal o diferencia depotencial electrico de la salida de este no necesita acondicionarse para ser directamente conectadaal pin AN2 del microcontrolador ya que entre las ventajas del sensor, se especifica una impedanciade salida de 0.1Ω (Texas Instruments, 2000a, p. 2) que contrasta de una manera satisfactoria conla alta impedancia de entrada, 2.5kΩ, del PIC18F2550 (Microchip, 2004, p. 260):

Figura 4-4: Conexion del sensor LM35 a la entrada analoga AN2 del PIC18F2550.

Conexion del sensor de irradiancia TCS3210

Tal como se menciono antes, la salida del sensor TCS3210 es una senal digital cuadrada quevaria discretamente entre 0V y 5V , por tanto, al igual que ocurre con el dispositivo LM35, nonecesita obligatoriamente de un acondicionamiento de senal:


Figura 4-5: Conexion de la salida del sensor TCS3210 al pin RB0 del PIC18F2550.

Teniendo en cuenta que solo se utilizaran 4 entradas analogas; los pines 2, 3, 4 y 5 respectiva-mente; los demas pines son asumidos por el programa cargado en el PIC18F2550 como digitales,con la opcion de ser entradas o salidas, ası al conectar la salida del sensor TCS3210 (pin 6, figura3-11) al pin RB0, este debe ser especificado como entrada del microcontrolador; y los pines RB1 yRB2 como salidas.

Conexion del PIC18F2550 al puerto USB

En el mercado de componentes electronicos se ofrecen dos presentaciones para el puerto USB 2.0,uno es el tipo A mostrado en la figura 3-16, tıpico en la mayorıa de los ordenadores actuales, el otroes el tipo B, utilizado en el puerto de algunas impresoras y programadores de microcontroladores,presenta una forma cuadrada con la facilidad de quedar fija y soldada en una tarjeta electronica:

Figura 4-6: Conector USB 2.0 tipo B. Imagen tomada de Pinout Conector USB tipo B para circuitoimpreso (2012).

Y los pines para este socket hembra estan organizados de la siguiente manera:


Figura 4-7: Pines del conector USB 2.0 tipo B. Imagen tomada de Laboratorio de Electronica IIGrupo 3 (2013).

Ası se tiene que la manera adecuada para conectar el PIC18F2550 por puerto USB 2.0 es queen la misma tarjeta electronica se encuentre la conexion a un puerto de tipo B, que siga el circuitomostrado en la figura 3-15, de tal manera que finalmente quede como se presenta a continuacion:

Figura 4-8: Conexion entre el PIC18F2550 y el puerto USB 2.0.

Otras conexiones necesarias para el funcionamiento del PIC18F2550

Al igual que cualquier integrado que realice calculos con datos digitales, el PIC18F2550 requierede una diferencia de potencial electrico de alimentacion, diferencial de potencial obtenido del puertoUSB, que Microchip especıfica para los pines Vdd y Vss (ver figura 3-14) entre un rango de 2.0V y5.5V (Microchip, 2004, p. 3). Como el host de cualquier puerto USB ofrece 5 voltios, no es necesarioalimentar el microcontrolador con una fuente de diferencia de potencial electrico adicional.

Por otra parte, todo dispositivo que contenga entre sus funciones el procesamiento de datosdepende de una oscilacion electrica que defina la frecuencia con que se realizaran operacionesentre registros de datos, siendo esta la funcion principal de un microcontrolador, significa que esimportante establecer la frecuencia con la cual puede y necesita el DAQ : Recibir, calcular y ofrecerdatos; entre estos tres procesos el que requiere mayor frecuencia es el ultimo, esto es porque para unmodulo de comunicacion por USB 2.0 se necesita de 48MHz para que la comunicacion trabaje a unavelocidad de procesamiento aceptable (Microchip, 2004, p. 31). Ahora, puesto que el PIC18F2550puede ser programado con un oscilador interno que a su vez puede multiplicar su frecuencia hastallegar al valor requerido (Perez, 2013), 48MHz, tambien se tiene la opcion de utilizar un oscilador


adicional externo de cristal que garantiza oscilaciones electricas con periodicidad mas constante yparalelas a los ciclos de maquina necesario para la CPU del microcontrolador (Microchip, 2004,p. 29), por ejemplo con un oscilador de cristal de 20MHz, el de mayor rapidez en el mercado dedispositivos electronicos, conectado entre los pines 9 y 10, OSC1 y OSC2 respectivamente (verfigura 3-14); para esto Microchip recomienda conectar dos capacitores de 15pF al oscilador HS,Hight Speed, y a tierra:

Tabla 4.1: Osciladores y capacitores que se pueden conectar al PIC18F2550. Tabla tomada deMicrochip (2004), p. 27

Figura 4-9: Conexion del oscilador HS de 20MHz al PIC18F2550.

No solo la oscilacion periodica electrica hace parte de los conexiones o funciones basicas paraun sistema de procesamiento de datos, tambien se tiene la posibilidad de resetear o reiniciar,desde los algoritmos iniciales cuando se enciende el microcontrolador, todo el codigo cargado enel PIC18F2550. Para el pin 1 de la figura 3-14, MCLR (Master Clear), se tiene que en estado defuncionamiento normal debe ir a la diferencia de potencial electrico de alimentacion, es decir almismo potencial que el pin 20 Vdd (tension de drenage) (figura 3-14), en el caso de requerir elreinicio, el pin MCLR se conecta a 0V , Vss (tension de fuente) (Microchip, 2004, p. 47):


Figura 4-10: Conexion para resetear el PIC18F2550 con un pulsador.

Esta es una manera sencilla de conectar el pin 1 a tierra con la facilidad de que el usuariodel DAQ reinicie el sistema con un pulsador, mientras este no se active; la diferencia de potencialelectrico de alimentacion del puerto USB (simbolizado con una flecha hacia arriba) pasa a travesde la resistencia de 10kΩ y como la impedancia de las entradas del PIC18F2550 son altas, entoncesla diferencia de potencial electrico es solo un poco menor a 5V ; sin la resistencia ya mencionada,cuando el pulsador es presionado se genera una conexion directa entre dos tensiones diferentes, 5Vy 0V , en cuyo caso se presenta un corto circuito, es por esto que la resistencia R2 es imprescindiblepara la opcion de reseteo por medio de un simple pulsador (Microchip, 2004, p. 47).

Entre las 13 entradas y/o salidas restantes de PIC18F2550, una de estas puede ser programadacomo salida para encender un diodo led que indique el envıo de datos al puerto USB, es decir queel encendido y apagado signifique que el DAQ esta tomando los datos de los sensores y, despues deser procesados, estan siendo enviados al computador:

Figura 4-11: Conexion de un diodo led rojo al PIC18F2550 para indicar el envıo de datos al Host.

En la figura anterior se escogio el pin 13, RC2, como salida para que el diodo led rojo se encienda


segun se especifique en el firmware del microcontrolador, se selecciona una resistencia de 1kΩ paraque la corriente que pasa por el diodo led sea limitada a la necesaria para una intensidad de luzaceptable para el usuario, en estas condiciones la diferencia de potencial electrico consumido por elindicador es de 1.7V y una corriente de 3.3mA, por tanto:

R7 =5V − 1.7V

3, 3mA=

3.3V

3.3mA= 1kΩ (4.4)

Firmware para el PIC18F2550

Como se explico en la fundamentacion teorica, el compilador JAL V2 permite programar elfirmware en el PIC18F2550 mediante lenguaje de alto nivel, esto significa que se tiene la posibili-dad de usar librerıas; como el DAQ debe, ademas de recibir los datos analogos y digitales de lossensores, enviar valores por el puerto USB, entonces se puede utilizar la librerıa usb serial. Esterecurso, proporcionado por los colaboradores del proyecto JAL V2 2, permite no solo comunicar unmicrocontrolador con cualquier host USB 2.0, sino que ademas emula un dispositivo conectado vıaprotocolo serial.

A continuacion se muestran y explican las partes mas importantes del codigo .jal anexado alfinal del presente documento:

En este bloque de codigo se realiza la apertura y comunicacion inicial con el puerto USBemulando un puerto serie.

Ahora se da un alias, o nombre mas adecuado, a las entradas y salidas de los pines delPIC18F2550 de acuerdo a la funcion que realizan en el DAQ, ademas se establecen tres constantespara que desde el codigo main sea mas sencillo especificar el dato del color requerido.

Se configuran las entradas analogas AN0 para la diferencia de potencial electrico, AN1 para lacorriente, AN2 para la temperatura y AN3 que sirve como diferencia de potencial electrico maximode referencia Vref+.

2Toda la documentacion sobre las librerıas actuales del proyecto JAL V2 se encuentran en los archivos de descargaa los cuales se acceder desde Jallib Group (2016).


Se implementa la funcion encargada de retornar el tiempo que tarda medio periodo de la senalcuadrada detectada en el pin B0, es decir del pin OUT del sensor TCS3210, para esto primero seconfiguran los pines S2 y S3 que ayudan a seleccionar el filtro del color a sensar.

Para terminar la funcion LeerTiempoMedioCiclo, se cuentan los ciclos de maquina (cada ciclode maquina tarda aproximadamente un microsegundo) del tiempo que la senal cuadrada dura enestado alto, de 5V , y se realiza una correccion de acuerdo a pruebas con oscilador de senal cuadradacon frecuencia alta controlada.

Se inicia la toma de datos desde los tres sensores analogos (diferencia de potencial electrico,corriente y temperatura).


Para terminar el envıo de los 6 datos proporcionados por los sensores, se toma la irradianciadel rojo, verde y azul. En resumen la sintaxis con la cual se identificaran los datos enviados por elpuerto serial emulado es la siguiente:

diferenciaPotencial1 corriente1 temperatura1 irradianciaRojo1 irradianciaVerde1 irradianciaAzul1diferenciaPotencial2 corriente2 temperatura2 irradianciaRojo2 irradianciaVerde2 irradianciaAzul2diferenciaPotencial3 corriente3 temperatura3 irradianciaRojo3 irradianciaVerde3 irradianciaAzul3

Es decir que cada salto de lınea ayuda a que, por medio de la programacion del host o compu-tador, se diferencie cada dato arrojado por los sensores.

Programa para la toma y flujo de datos desde el puerto serial alprogama ROOT

Desde esta parte comienza la programacion que corresponde a la toma y tratamiento de da-tos por parte del sistema de computo. Para empezar, se implementa un programa en C++ puro(llamado COM SERIAL), sin uso de las librerıas de ROOT, que toma cada lınea enviada por elDAQ y la sobrescribe en un archivo plano, oculto para sistemas basados en linux, por medio de lassiguientes lıneas de codigo que se basan en lo explicado por Gonzalez (2009):

Primero se toma la opcion que especifica el nombre dado por el host al DAQ, como por logeneral es ttyACM#, un ejemplo del uso del programa puede ser:

Y despues se establece un objeto de comunicacion serial con la ubicacionPuerto.


En el anterior bloque de codigo se intenta la apertura del puerto serial especificando algunascaracterısticas de la comunicacion.

Y para finalizar se hace que dentro de un bucle infinito se cree o sobrescriba un archivo planocon la ultima lınea enviada por el PIC18F2550.

Interfaz grafica usando librerıas de ROOT para el analisis de datos

Ventana principal

La ventana principal, que sera la primera en mostrarse al usuario, contiene como lıneas princi-pales de codigo, teniendo en cuenta todo lo explicado por Vargas y Salamanca (2013), las siguientespartes:

Se utiliza una lista de seleccion para que inicialmente el usuario seleccione el nombre del puertoserial dado por el sistema de computo, ademas se realiza una comunicacion del objeto puertoListadomediante el mecanismo Signal-Slot (Vargas y Salamanca, 2013, p. 38-43), para capturar el eventode pulsacion sobre un item de la lista.

En caso de que el DAQ sea desconectado y cambie de nombre, se da la opcion de volver agregarlos candidatos a puerto serial.

Este boton da la orden tanto para comenzar o pausar la toma de datos.

El boton de reinicio solo se activa si la toma de datos comenzo y ha sido pausada.

graficoBoton agrega los graficos bidimensionales que el investigador crea necesario para carac-terizar el panel solar.


Se utiliza un boton que muestra una tabla con todos los datos, segundo a segundo, tomadosdurante el dıa, por esto la tabla incluye la fecha y hora, de manera predeterminada esta se generacon cada dato tomado por la interfaz grafica.

Se crea un espacio de pestanas en cual se agregaran las pestanas ası como un maximo de 10ventanas graficas.

Un objeto de la clase TTimer es un proceso o hilo paralelo al funcionamiento de la ventanaprincipal (Vargas y Salamanca, 2013, p. 30), este se usa para la toma de datos en tiempo real.

Se crean variables auxiliares para detectar el estado actual de la toma de datos y ademas unarreglo de caracteres en los cuales se iran cargando los datos tomados del puerto serial.

Se abre, o crea el archivo plano donde guardaran los datos tomados, en forma de tabla, paraque sin la necesidad de dar clic en play, el usuario tenga la opcion de ver las medidas realizadasdurante el dıa.

Ahora, las partes mas significativas de las funciones de PRINCIPAL VENTANA, clase quedefine la ventana principal, son:

Este metodo permite que cada uno de los posibles nombres de los puertos seriales detectados porel host se visualicen y sean seleccionadas en el listado de seleccion puertoListado que por defecto,para sistemas basados en Linux, se pueden encontrar en la carpeta dev.


La funcion TurnOn del hilo ejecuta repetidamente la funcion TomarDatosSlot que se explicaramas adelante. time(NULL) obtiene la hora actual del sistema, en segundos, desde el primero deenero del ano 1970, por esto la mejor forma de mostrarlo al usuario es por medio de su diferenciacon otros tiempos.

Para nombrar el archivo plano donde se guardaran todos los datos, se tiene en cuenta la fechadel dıa actual, de tal manera que en el mismo documento sean almacenados, por seguridad, todoslos datos tomados en esa fecha.

Para diferenciar las distintas veces que se tomaron datos ese dıa, se hacen tres saltos de lınea yse agrega un encabezado con los nombres de las variables.

Cuando se ha pausado la toma de datos es posible reiniciar la ventana principal descartando lotomados hasta el momento o visualizar la tabla donde se han almacenado las mediciones realizadasen el dıa.

A la horaInicial se le agrega el tiempo que la toma de datos fue pausada, esto para evitar teneren cuenta los segundos que el investigador utilizo para analizar o guardar los datos tomados hastael momento.


El reinicio consiste en habilitar los botones para: Agregar graficos, cambiar de puerto, detectarposibles puertos y visualizar la tabla de datos; ademas se pone a cero las variables dato y tiempo, sereinicia y remueve las diez pestanas de graficos, se finaliza el proceso COM SERIAL, se eliminan losarchivos ocultos y finalmente se hace un nuevo reconocimiento de candidatos a ser puertos seriales.En cuanto a las variables medidas por el DAQ, estas no necesitan ponerse a cero ya que seranreemplazadas cuando se empiece la nueva toma de datos.

La conexion con el puerto serial no se realiza directamente, se hace a traves del archivo .datos.

Para agregar pestanas, cada una viene con el titulo “Grafico” mas un numero que empiezadesde 1 hasta 10.

Inicialmente para que el hilo paralelo a la ventana principal tome y grafique los datos, debehaber un cambio de un segundo, esto asegura que los datos mostrados van a ser los obtenidossegundo a segundo, es decir que el tiempo de muestreo es de un segundo.


Al igual que con el tiempo, si los seis datos enviados por el DAQ al archivo .datos, son losmismos a los anteriormente tomados, tampoco se envıan o grafican las variables.

La lectura del archivo plano .datos es tomado como una variable String, por esto se debendeterminar y calcular la diferencia de potencial electrico, corriente, temperatura e irradiancias.

Se redondean todas las variables de acuerdo al valor mas cercano a la precision, es decir quetodas las variables sean multiplos de las precisiones, adicionalmente se calcula la potencia electrica.

Se grafican los datos en las diez pestanas.

Lo primero en ser agregado a la tabla es el contador de datos, despues la fecha y la hora.


A continuacion se agrega el tiempo, la corriente, la diferencia de potencial electrico, la potencia,la temperatura y la irradiancia del rojo, verde y azul.

Para evitar perder precision se puede pasar el dato numerico como flujo de String y obtener surepresentacion en caracteres mediante el metodo str().

Para la visualizacion de la tabla, se utiliza el programa gedit, que es un editor de archivos planos.

Graficos

Para mostrar los datos de manera grafica, se usan pestanas herederas de la clase TGComposite-Frame de ROOT, algunos de los codigos mas importantes, de su constructor GRAFICO PESTANA,son:

Cada una de las pestanas no utiliza copias de las variables fısicas, en su lugar hace uso depunteros que hacen referencia a los datos originales de la clase PRINCIPAL VENTANA.

El usuario puede escoger la variable a graficar en el eje vertical, puede ser cualquiera de las ochovariables.


Al igual que con el eje y, para el x se puede seleccionar la variable a representar.

Se da la opcion para que el investigador pueda exportar el grafico de los datos tomados hastael momento en formato .png (Portable Network Graphics).

Otra opcion, y la mas adecuada, es abrir el grafico en una ventana TBrowser de ROOT, permi-tiendo: Exportar el grafico en varios formatos, entre ellos .root ; cambiar fuentes, colores y lıneas;hacer regresiones; obtener ecuaciones de tendencia; entre otros.

Los metodos mas importantes, en cuanto a la interaccion con los controles y el dibujo de datos,son:


Tanto el evento Y VariableSeleccionadaSlot como X VariableSeleccionadaSlot ocurren cuandoel usuario selecciona las variables a graficar, para esto, los punteros de estas variables se pasan ayVariable y xVariable de la clase GRAFICO PESTANA.

Adicional a la representacion de los puntos mostrados en el grafico, tambien se incrementa lacuenta de los datos tomados hasta el momento por medio de la variable dato.

Para analizar los datos tomados por el DAQ, se da la opcion de utilizar el navegador TBrowserde Root, este navegador presenta muchas opciones, entre ellas: Exportar graficos, cambiar puntos,seleccionar el tipo de graficos, realizar cualquier tipo de regresion, cambiar colores, poner o quitarcuadrıcula, escoger el rango de datos, entre muchas otras.

Antes de exportar el grafico a formato .png, se compone un nombre lo suficientemente explıcitopara el investigador, primero la variable del eje vertical.


Despues la variable del eje horizontal.

Por ultimo se agrega la fecha y hora, para que despues de creada la imagen, trate de ser abiertacon el programa Gthumb.

Cuando se reinicia la medicion hecha por el DAQ : Se pasa a cero el numero de datos, todos loscontroles se habilitan, la referencia al grafico pasa a un espacio de memoria en blanco y se actualizael espacio sobre el cual el grafico es dibujado.

Capıtulo 5

EVALUACION DEL PRODUCTO

A partir de la resolucion de las entradas analogas en la expresion (3.27) del PIC18F2550 seidentifica la precision para las medidas de la diferencia de potencial electrico, corriente, temperaturae irradiancia.

Precision y medidas de la diferencia de potencial electrico

Teniendo en cuenta el divisor de diferencia de potencial electrico resuelto en la ecuacion (3.20),para este valor se tiene una precision y mınima medida Vmin de:

V min =2.98V

1024∗ 67

10= 19.4mV (5.1)

La diferencia de potencial electrico maximo Vmax que puede sensar el DAQ depende del maximovalor digital del conversor ADC de PIC18F2550 :

V max = V min ∗ 1023 = 19.8462V (5.2)

Precision y medidas de la corriente electrica

Para la corriente, usando la ley de Ohm y el circuito amplificador no inversor en el grafico 3-13, la precision de la corriente y su mınimo valor Imin es:

Imin =2.98V

1024∗ 1

3.9Ω∗ 39

319= 91.2µA (5.3)

La maxima corriente Imax que puede detectar el DAQ es:

Imax = Imin ∗ 1023 = 93.2976mA (5.4)

Error y valores de la potencia electrica

En cuanto a la potencia electrica P = V ∗ I, debido que su error ∆P , segun Garcıa (2010),depende tanto de la medida de la diferencia de potencial electrico y corriente, al ser indirecta:

∆P = V ∗ I

√(V min

V

)2

+

(Imin

I

)2

(5.5)

53

CAPıTULO 5. EVALUACION DEL PRODUCTO 54

No es correcto estimar o dar un valor para la precision, pero en cuanto a su mınima y maximamedida, Pmin y Pmax respectivamente, se puede utilizar Vmin, Vmax, Imin y Imax :

Pmin = V min ∗ Imin = 19.4mV ∗ 91.2µA = 1.77µW (5.6)

Pmax = V max ∗ Imax = 19.8462V ∗ 93.2976mA = 1.85W (5.7)

Precision y medidas de la temperatura

Para la temperatura, como ya se menciono anteriormente, el dispositivo LM35 tiene una precisionde 0.5oC que corresponde a una diferencia de potencial electrico, por parte del sensor, de 5mV ;ahora como la diferencia de potencial electrico recibido por el PIC18F2550 esta limitado por laresolucion de la ecuacion (3.27) y el sensor es conectado directamente (sin etapa amplificadora):

Resolucion =Vref+

102410=

2.98V

1024= 2.91mV (5.8)

Es decir que el microcontrolador detecta multiplos de 2.91mV , no 5mV , por esto lo mas ade-cuado es esperar una precision correspondiente a 10mV que significa 1oC. Al ser 0V la mınimadiferencia de potencial electrico Vref- de la ecuacion (3.27), la mınima temperatura detectable yconfiable sera la precision:

Tmin =1oC

10mV∗ 10mV = 1oC (5.9)

La temperatura maxima Tmax detectable por el DAQ viene dada por el multiplo mas cercanoa un valor de 1023 del ADC del PIC18F2550 :

2.98V

1024∗ 1023 = 2.97709V ≈ 2.97V (5.10)

2.97V ∗(

1oC

0.01V

)= 297oC (5.11)

Pero el sensor LM35 detecta como maximo una temperatura de 150oC (Texas Instruments,2000b, p. 1), por tanto en este caso es el sensor quien limita la maxima temperatura detectable:

Tmax = 150oC (5.12)

Precision y medidas de la irradiancia

Los datos tecnicos del sensor de irradiancia TCS3210 especifica los siguiente valores para lamaxima frecuencia, seleccionada a 12kHz de la tabla 3.3 (Texas Advanced Optoelectronic Solutions,2009, p. 4):


ColorRango long. de

onda (nm)

Irradianciamaxima

(µW/cm2)

Irradianciamaxima(W/m2)

Azul 470 ± 35 4839 48.39

Verde 524 ± 47 4138 41.38

Rojo 640 ± 17 3371 33.71

Tabla 5.1: Rango e irradiancia maxima detectable por los filtros del sensor TCS3210.

Como la relacion entre las irradiancias y la frecuencia es directamente proporcional, para cal-cular la precision de cada irradiancia se utiliza la siguiente relacion:

Irradiancia maxima

12000(5.13)

Obteniendo ası:

ColorRango long. de

onda (nm)Precision(µW/cm2)

Precision(W/m2)

Azul 470 ± 35 403 ∗ 10−3 403 ∗ 10−5

Verde 524 ± 47 344 ∗ 10−3 344 ∗ 10−5

Rojo 640 ± 17 280 ∗ 10−3 280 ∗ 10−5

Tabla 5.2: Precision para cada color detectado por el sensor TCS3210.

Bajo oscuridad, el sensor TCS3210 especifica una frecuencia de salida de 2Hz (Texas AdvancedOptoelectronic Solutions, 2009, p. 4), es decir que la mınima medida se calculara a partir de:

2 ∗ Precision (5.14)

Que para cada color es:

ColorRango long. de

onda (nm)

Mınimamedida

(µW/cm2)

Mınimamedida (W/m2)

Azul 470 ± 35 806 ∗ 10−3 806 ∗ 10−5

Verde 524 ± 47 688 ∗ 10−3 688 ∗ 10−5

Rojo 640 ± 17 560 ∗ 10−3 560 ∗ 10−5

Tabla 5.3: Mınima medida para cada color sensado por el dispositivo TCS3210.

Y la maxima medida, de acuerdo a la precision, por cada Hz, es:

Precision ∗ 12000 (5.15)


ColorRango long. de

onda (nm)

Maximamedida

(µW/cm2)

Maximamedida (W/m2)

Azul 470 ± 35 4836 48.36

Verde 524 ± 47 4128 41.28

Rojo 640 ± 17 3360 33.60

Tabla 5.4: Maxima medida esperada para las irradiancias sensadas por TCS3210.

Resumen de los rangos de medida obtenidos con el DAQ

En resumen para las siete medidas ya mencionadas:

Variable Precision Mınima medidaMaximamedida

V 19.4mV 19.4mV 19.8462V

I 91.2µA 91.2µA 93.2976mA

P P

√(19.4mV

V

)2+(91.2µA

I

)21.77µW 1.85W

T 1oC 1oC 150oC

Sazul 403 ∗ 10−3µW/cm2 806 ∗ 10−3µW/cm2 4836µW/cm2

Sverde 344 ∗ 10−3muW/cm2 688 ∗ 10−3µW/cm2 4128µW/cm2

Srojo 280 ∗ 10−3µW/cm2 560 ∗ 10−3µW/cm2 3360µW/cm2

Tabla 5.5: Resumen de: Precision, mınima y maxima medida de las variables obtenidas por el DAQ.

Calibracion del DAQ

Para la calibracion de las medidas electricas de la diferencia de potencial electrico y corrientese utiliza un multımetro digital Excel DT9205A y se contrastan con corrientes y diferencias depotencial electrico del DAQ :

Corriente DAQ(mA)

Corrientemultımetro (mA)

0.730 0.86

0.912 0.91

0.274 0.56

0.547 0.68

2.372 2.47

Tabla 5.6: Comparacion de corrientes tomadas por el DAQ y el multımetro digital DT9205A antesde la calibracion.


Diferencia depotencial electrico

DAQ (V )

Diferencia depotencial electrico,

Multımetro (V )

2.944 3.12

2.223 2.32

1.326 1.37

5.030 5.38

6.395 6.87

Tabla 5.7: Comparacion de diferencias de potencial electrico tomadas por el DAQ y el multımetrodigital DT9205A antes de la calibracion.

Con los datos anteriores se realizan regresiones lineales de las medidas tomadas con el multımetrocontra los del DAQ, a partir de ambas ecuaciones se agrega al codigo del GUI con ROOT lassiguientes correcciones:

De la misma forma se ajustan valores de temperatura tomados por el DAQ y el termometro demercurio marca Brixco, referencia 4890:

Temperatura DAQ(oC)

Temperaturatermometro (oC)

9.61 17

10.19 18

20.38 23

21.55 26

22.43 27

30.3 36

Tabla 5.8: Comparacion de temperaturas tomadas por el DAQ y el termometro de alcohol ? antesde la calibracion.

Y la correccion de los datos para la temperatura es:

Ajuste de la interfaz grafica para la coherencia de los datos con laprecision, mınima y maxima medida de las variables

Para que las medidas arrojadas por el DAQ sean coherentes con la tabla 5.5, se utiliza lasiguiente funcion que retorna valores redondeados:


Ası por medio de la evaluacion del producto se ha establecido la precision de las medidastomadas por el DAQ teniendo en cuenta la resolucion del ADC del PIC18F2550 y la relacion entrefrecuencia e irradiancia del sensor TCS3210.

Capıtulo 6

ANALISIS DE RESULTADOS

Para comprobar la utilidad del sistema de adquisicion de datos al momento de obtener y analizargraficos caracterısticos de un panel solar, se toman medidas con un modulo de silicio policristalinode 9V y 150mA para el cual, desde la pagina de su vendedor Electronica San Nicolas (2014),no se encuentran especificaciones significativas acerca del funcionamiento en el punto de maximapotencia, MPP, ni tampoco informacion de su fabricante o modelo con el cual se pueda realizar unaconsulta de sus caracterısticas.

Para empezar se intenta establecer la relacion directa entre la corriente en cortocircuito Isc y lairradiancia Srojo con el filtro rojo del sensor TCS3210 en la ecuacion (3.15), utilizando para estouna lampara fluorescente incidente sobre el panel solar:

Figura 6-1: Corriente de cortocircuito Vs irradiancia a traves del filtro rojo.

La regresion lineal, representada por la lınea roja, tiene una pendiente de:(ILoSo

)= (2.79 ± 0.0566)

µA

µW/cm2(6.1)

A continuacion se toma la relacion logarıtmica para la diferencia de potencial electrico en circuitoabierto Voc en funcion de la irradiancia Srojo:

59

CAPıTULO 6. ANALISIS DE RESULTADOS 60

Figura 6-2: Diferencia de potencial de circuito abierto Vs Irradiancia a traves del filtro rojo.

Calculando el voltaje termico VT de la ecuacion (3.3), con la temperatura de 26oC bajo la cualse encuentra el panel solar durante la toma de datos, teniendo en cuenta la relacion (6.1) y laecuacion (3.18), se realiza la regresion, en lınea roja para obtener los siguientes valores para elfactor de idealidad m y la corriente de saturacion Io:

m = 36.4 ± 0.385 (6.2)

Io = (0.742 ± 0.053)µA (6.3)

Determinadas estas constantes, para una irradiancia del rojo Srojo promedio de 938.28µW/cm2,sin acercar ni alejar la fuente de luz, con una temperatura de 27oC la grafica de corriente contradiferencia de potencial electrico utilizando un potenciometro en serie de 10kΩ en el circuito de lafigura 4-2 es:


Figura 6-3: Corriente Vs Diferencia de potencial electrico para una irradiancia promedio de938.28µW/cm2.

Con la ecuacion (3.7) y los valores (6.2) y (6.3), se realiza una regresion exponencial paraobtener el valor de la fotocorriente IL y la suma Rp de cada una de las resistencias de las celdasque componen el panel solar:

IL = (3.77 ± 0.113)mA (6.4)

Rp = (45.24 ± 34.45)kΩ (6.5)

Y se observa el valor de la diferencia de potencial electrico Voc de circuito abierto, cuando lacorriente es cero:

V oc = 7.99V (6.6)

De manera analoga con los valores (6.2) y (6-3) en la ecuacion (3.9) se toman datos parala potencia electrica contra la diferencia de potencial electrico bajo las mismas condiciones deirradiancia:


Figura 6-4: Potencia Vs Diferencia de potencial electrico para una irradiancia casi constante de938.28µW/cm2.

Tambien se obtienen otros valores para IL y Rp:

IL = (3.62 ± 0.0374)mA (6.7)

Rp = (1.71 ∗ 107 ± 2.78)kΩ (6.8)

Ademas, por medio de las herramientas predefinidas para analisis de graficos del navegadorTBrowser de ROOT, se estima la potencia y la diferencia de potencial electrico del MPP (de lafuncion representada con lınea roja):

Pmpp = 19.15mW (6.9)

V mpp = 6.1V (6.10)

De estos dos valores, se obtiene la corriente Impp:

Impp =Pmpp

V mpp(6.11)

Impp = 3.13mA (6.12)

Usando la ecuacion (3.10); para el calculo del factor de forma FF ; y los datos (6.9), (6.4) y(6.6):

FF =19.15mW

7.99V ∗ 3.77mA= 0.636 (6.13)

Se toman y obtienen las mismas graficas 6-3 y 6-4 para otras dos irradiancias y temperaturascasi constantes, los resultados de sus regresiones se muestran en la siguiente tabla:


Datos 1 Datos 2 Datos 3Srojo 938.28µW/cm2 605.08µW/cm2 228.76µW/cm2T 27oC 26oC 26oC

Con I(V)Isc (3.77 ± 0.113)mA (2.17±0.0332)mA (1.03±0.0209)mA

Rp (45.24 ± 34.45)kΩ(3.21 ∗ 1012 ±9.59 ∗ 1015)kΩ

(2.324 ∗ 1012 ±4.468 ∗ 1015)kΩ

Voc 7.99V 7.49V 5.53V

Con P(V)

Isc (3.62±0.0374)mA (2.20±0.0302)mA(1.101 ±

0.03804)mA

Rp(1.71 ∗ 107 ±

2.78)kΩ(2.79 ∗ 1012 ±

1.58)kΩ(1.92 ∗ 1012 ±5.44 ∗ 1015)kΩ

Pmpp 19.15mW 10.69mW 3.55mWVmpp 6.1V 5.67V 3.97VImpp 3.13mA 1.89mA 0.894mA

FF 0.636 0.658 0.623

Tabla 6.1: Tres experiencias con irradiancias casi contantes haciendo uso de un potenciometro de10kΩ.

A pesar de que el sensor para la medicion de la irradiancia TCS3210 solo ofrece valores enrangos de longitud de onda muy especıficos, para el rojo, verde y azul, la proporcionalidad directacon la corriente ayuda a predecir el comportamiento del panel para irradiancias solares mayores alos maximos especificados en la tabla 5.4.

En cuanto a la determinacion de la resistencia Rp, de todas las celdas solares, que se intentoobtener al realizar la regresion con las ecuaciones (3.7) y (3.9) se observa en la tabla 6.1 que estospresentan una incertidumbre, en la mayorıa de experiencias, muy superior al valor estimado; portanto, no es posible que con las pruebas realizadas se determine un valor aceptable para Rp debidoa que este se altera por la impedancia, en paralelo, de la tarjeta electronica DAQ.

La obtencion del factor de idealidad m y la corriente de saturacion Io en las igualdades (6.2)y (6.3) permitio determinar de manera confiable, valores para la corriente en corto circuito Isc asıcomo los correspondientes al MPP al verificar los graficos 6-3 y 6-4. De esta manera el factor deforma FF, en la tabla 6.1, presenta valores tıpicos para la mayorıa de paneles solares mencionadospor Perpinan (2013), p. 49.

Ademas de las pruebas y analisis ya mostradas, son muchas las relaciones que el investigadorpuede obtener con el DAQ ya que el uso de las herramientas del framework ROOT y la variedadde variables ayudan a una caracterizacion economica de paneles solares en tıpicas aplicaciones tancomplejas, como los sistemas fotovoltaicos, o sencillas, como el funcionamiento de robots con bajoconsumo de energıa electrica.

Capıtulo 7

CONCLUSIONES

1. Se cumplio a cabalidad con el objetivo propuesto en el anteproyecto del trabajo de grado:

“Disenar y elaborar un sistema de adquisicion de datos, esto es, el hardware y software quepermita mediante ayudas computacionales tomar la temperatura, ası como la diferencia depotencial electrico y la corriente que se obtiene de esta; estas medidas deben ser tomadas si-multaneamente en forma de datos que el programa debera mostrar y tratar para caracterizar lacelda solar en cuanto a caracterısticas fısicas que incluyan parametros electricos y termicos.”

2. Se diseno un modulo para medir la potencia de paneles solares de baja potencia, teniendo encuenta los parametros mas importantes que la afectan, como son: Irradiancia y temperaturaambiente.

3. El modulo desarrollado para este fin, permite medir la diferencia de potencial electrico decircuito abierto (Voc) y la corriente de cortocircuito (Isc) del panel, para diferentes valores deirradiancia y temperatura. Sin embargo en este trabajo la medicion se hace a una temperaturaambiente entre 26oC y 27oC.

4. Ademas de lo anterior, el modulo desarrollado permite determinar el punto de maxima efi-ciencia para paneles solares que se encuentran frecuentemente en el mercado y carecen decaracterısticas tecnicas, o en su defecto, las mostradas por el fabricante no corresponden conla realidad bajo nuestras condiciones ambientales.

5. El modulo desarrollado consta de las siguientes partes:

a) Sensores de irradiancia, diferencia de potencial electrico, corriente y temperatura.

b) Tarjeta de adquisicion de datos.

c) Interfaz grafica para el usuario.

6. Para el desarrollo del modulo se realizo un estudio de costos para sensores y dispositivoselectronicos, utilizados en el mismo, y existentes en el mercado local. Este estudio permitioseleccionar aquellos que son altamente competitivos en calidad, sensibilidad y economıa.

7. El desarrollo de este modulo permitio el uso de herramientas pertenecientes al software libre,entre las cuales cabe resaltar el lenguaje JAL para la programacion de microcontroladoresen un lenguaje de alto nivel; y el framework ROOT para el diseno de una interfaz graficaamigable al usuario ademas del analisis de los datos adquiridos por el DAQ.

8. El DAQ integro conocimientos de fısica, instrumentacion electronica y herramientas de pro-gramacion.

64

CAPıTULO 7. CONCLUSIONES 65

9. El sistema es de bajo costo, comparado con otras posibilidades presentes en el mercado:

PROVEEDOR Texas InstrumentsNational

Instruments

Productodesarrollado

(Trabajo de grado)1

Sensor dediferencia de

potencialelectrico ycorriente

Computer Base Lab 2(CBL 2)2: 530000

NI cFP-AI-1003:2602000.

Amplificadoroperacional LM324:

500. Resistores: 3500.

Sensor detemperatura

Termopar4: 123000. LM35: 6000.

Sensor deirradiancia

TCS3210: 24900.

Tarjeta DAQNational InstrumentsUSB 60005: 608000.

PIC18F2550: 17000.Otros6: 5550.

Software paraanalisis de

datos.

Calculadora graficadoraTI-84 Plus C7: 420000

LabVIEW para laEducacion 2014.

Licencia Individual8:552000.

Software bajo licenciacreative commons.

Total 950000 3885000 57450

Tabla 7.1: Comparacion de costos para sistemas de adquisicion de datos, incluyendo sensores. Seespecifican los modelos y sus valores en pesos colombianos.

10. Este modulo puede ser implementado en instituciones de educacion media, tecnica y universi-taria con el proposito de caracterizar paneles solares bajo nuestras condiciones y de esta formamotivar a los estudiantes en procesos de ensenanza-aprendizaje, con metodologıas proximasa aplicaciones cotidianas en las cuales los paneles solares sean la fuente de energıa electrica.

11. Con algunas modificaciones que pueden realizarse, el DAQ puede ser utilizado para caracte-rizar paneles solares de mayor potencia. Por consiguiente, este sistema sirve como solucionpara determinar la potencia y caracterizar paneles solares.

12. El sistema puede contribuir a que estudiantes del Proyecto Curricular de Licenciatura enFısica (Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas) aprendan sobre: Las caracterısticasfısicas mas importantes de celdas y paneles solares, el funcionamiento de este tipo de sistemasDAQ y acerca del analisis de datos experimentales por medio del Framework ROOT 9.

1Los precios fueron consultados en http://www.microelectronicos.com/shopcontent.asp?type=Catalogo.2Segun precio consultado en: http://www.vernier.com/products/interfaces/cbl2/3Segun precio consultado en http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/115824Segun precio consultado en http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/104905Segun precio consultado en National Instruments (2013).6Incluye puerto USB tipo B, resistores, oscilador de cristal de 20MHz, capacitores, indicadores led, pulsador,

zocalos para integrados y borneras para la conexion del panel solar y del resistor variable.7Segun precio consultado en: http://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-423780235-calculadora-graficadora-texas-ti84-plus-ce-color-nueva--_

JM8Segun precio consultado en http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/204940#productlisting.9Ver Anexo 1: MANUAL DE USUARIO: SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS PARA LA CARACTERI-

ZACION DE PANELES SOLARES

http://www.microelectronicos.com/shopcontent.asp?type=Catalogo

http://www.vernier.com/products/interfaces/cbl2/

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/11582


http://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-423780235-calculadora-graficadora-texas-ti84-plus-ce-color-nueva--_JM

http://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-423780235-calculadora-graficadora-texas-ti84-plus-ce-color-nueva--_JM

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/204940#productlisting

CAPıTULO 7. CONCLUSIONES 66

13. Para el desarrollo de este trabajo de grado se necesito investigar sobre temas fundamentalesrelacionados con los procesos fısicos de conversion de energıa a traves del efecto fotovoltaico.Ademas de lo anterior, el manejo y aprendizaje de contenidos vinculados a la implementacionelectronica y acondicionamiento de senales, como tambien, el uso de herramientas de softwarelibre y programacion con ayuda de estas. Entre los temas estudiados mas relevantes, se puedendestacar los siguientes:

a) Funcionamiento de celdas y paneles solares.

b) Medicion de variables fısicas e incidencia de las mismas en la potencia de salida enpaneles solares.

c) Programacion y arquitectura de microcontroladores.

d) Diseno de circuitos digitales.

e) Acondicionamiento de senales electricas analogas y conversion de estas a datos digitales.

f ) Comunicacion de perifericos a sistemas computacionales.

g) Diseno de interfaces graficas de usuario.

h) Analisis de datos cientıficos por medio del framework ROOT.

Apendice A

Lista de Anexos

1. MANUAL DE USUARIO: SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS PARA LA CARAC-TERIZACION DE PANELES SOLARES. Ver archivo ManualUsuario.pdf.

2. Software de instalacion y codigo fuente dentro del archivo comprimido Programa V1.0.zip.

3. Analisis completo de datos para un panel solar de 9V y 150mA (ver capitulo 6). Esta carpeta,CaracterizacionPanelSolar incluye: Archivos de datos .root, tablas en formato LibreOffice Calc(.ods), graficos en formato PNG y tablas completas generadas por el software del DAQ (conextension .dat).

4. Tablas en el archivo correccion datos experimentales.ods (formato LibreOffice Calc), utiliza-das para la evaluacion del producto, ver seccion 5.7.

67

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diseno y construcci~ on de un sistema de adquisicion de...

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