Estación Meteorológica

 

MANUAL PARA

DOCENTES

Estación Meteorológica

1.Introducción

Todas las actividades de nuestra vida cotidiana se ven afectadas por el estado del tiempo, desde saber cómo abrigarse al salir de casa, y si debemos o no llevar paraguas, hasta si podremos hacer actividades al aire libre el fin de semana.

Con esta estación meteorológica, que utiliza la placa micro:bit, es posible medir la temperatura ambiente, humedad relativa, presión atmosférica, velocidad del viento y cantidad de lluvia acumulada. Los datos medidos por la estación se muestran en el display de leds de una segunda placa microbit, la cual se comunica con la estación de manera inalámbrica y puede situarse a varios metros de distancia de ésta.

1.1 Materiales necesarios

• 2 Placas micro:bit

• Sensores:

• BMP280 (Presión atmosférica)

• DHT11 (Temperatura y humedad relativa)

• 2 Reed Switch

• Cables Dupont Hembra a Hembra de 40 cm (10 aprox)

• Extensor de pines micro:bit (5601B)

• 2 Bidones de agua con tapa

• Silicona caliente

• Frasco de plástico

• Motor de corriente continua

• Caño de aluminio (puede ser un caño de cortina hueco)

• 2 Chirimbolos de navidad

• 3 Palitos de brochet

• Cable USB

• Cargador (220v) con puerto usb

• Mezcla fina o portland (1kg)

• Pintura blanca

1.2 Funcionalidades de la micro:bit utilizadas:

• Botones: A y B

• Entradas digitales: 2

• Radio: Mensajes

• Radio: Número

• Matriz de LEDs

• Temperatura

• Presión

• Humedad relativa

2.  Dispositivos

2.1. DHT11

Es un sensor utilizado para medir temperatura (en ºC) y el porcentaje de la humedad.

Nosotros lo utilizaremos para medir estas magnitudes.

El sensor consta de tres conexiones hacia la microbit: GND (0V), VCC (3V) y DATOS (PIN 0). Estas se conectan como se puede ver en el diagrama.

Para la implementación de este sensor, es necesario utilizar la extensión DHT11​ del​ makecode.

Para usarla debemos agregarla, buscándola en la sección de extensiones como se ve en las siguientes imágenes:

Primero vamos al menú Avanzado​,​buscamos la opción Extensiones​,​se nos desplegará

un menú donde buscaremos la extensión DHT11​,​ seleccionamos la primera extensión que nos aparece (recuadro en rojo en la segunda imagen). Lo que hace esto es agregar la extensión seleccionada en nuestro menú de makecode (Imagen 3), después de esto

ya estaremos habilitados para utilizar la extensión DHT11​ que​ será necesaria para

conectar nuestro sensor DHT11​​a nuestra placa microbit.

Una vez añadida la extensión, podemos hacer una prueba sencilla para verificar el correcto funcionamiento del mismo.

Con el siguiente código, mostraremos el valor de la humedad y de la temperatura medidos. Al iniciar debemos agregar el bloque de inicialización del sensor tal cual se ve en la imagen.

Una vez hecho el código y cargado en la microbit, conectaremos el sensor a los pines correspondientes.

2.2 BMP280

Este sensor, mide la presión atmosférica en hectopascales (hPa) y la temperatura (en ºC).

Como se ve en la figura, sensor consta de 4 conexiones hacia la placa microbit.

Al igual que el DHT11​,​es necesario agregar una extensión del makecode para utilizarlo,

llamada enviro​.bit,​la cual añadiremos exactamente cómo añadimos la extensión DHT11​.​

A continuación se ejemplifica con imágenes cómo realizar la búsqueda de la extensión:

Una vez añadida la extensión, haremos un pequeño programa de prueba el cual

muestre los valores de la temperatura y de la presión, para verificar que el sensor funcione correctamente.

Una vez hecho el código y cargado en la microbit, conectaremos el sensor a los pines correspondientes.

4.3 Pluviómetro

El diseño de la estructura física del pluviómetro (la cual fue fabricada con una impresora 3D), fue extraído de internet. Luego de tener el dispositivo hecho, nos encargamos de idealizar un sistema, el cual represente el mecanismo de un pluviómetro, con un​ sensor magnético (Reed Switch) y un imán. Estos sensores funcionan como una interruptor, cerrando el circuito al acercarse el imán. De esta forma cada vez que el pluviómetro llene y vuelque uno de sus depósitos el imán pasa por delante del sensor cerrando momentáneamente el circuito. Esto será detectado por la microbit como un pulso en uno de sus pines.

Para utilizar este dispositivo, al contrario del BMP280 y DHT11, no es necesario la implementación de una extensión. Con las herramientas que provee el makecode, será suficiente para que el dispositivo pueda ejecutar su función correctamente.

Para verificar su funcionamiento conectaremos los cables de sensor a 3v y al PIN1 de la microbit, y cargaremos el siguiente código.

En esta prueba, observaremos el “tic” en la microbit cada vez el imán pase frente al sensor.

2.3 Anemómetro

Armaremos el anemómetro usando los siguientes materiales:

• motor de corriente continua de 5v.

• reed switch.

• imanes pequeños.

• cable.

• chirimbolos de navidad.

• tapas de los bidones.

Usaremos los chirimbolos de navidad cortados a la mitad, los cuales cumpliran la función de las cazoletas del anemómetro, unidos entre sí con palitos de brochet y dos tapas de bidones de agua. Puede ser útil usar un tubito de lapicera (bic) de forma de eje de todo el conjunto, para que el mismo se mantenga en equilibrio. En este tubito, meteremos el eje del motor.

A continuación, explicamos paso a paso de como construir las cazoletas:

1. Representar en una hoja los tres palitos de brochet, formando ángulos de 120º entre ellos. Esto es importante para no tener balanceos excesivos.

2. Marcar en una de las tapas la posición donde se harán los agujeros para cada palito.

3. Agujerear la tapa con algún objeto de punta fina.

4. Ubicar los palitos exactamente hasta el eje de la tapa, y presentar el tubito de una lapicera, de modo que quede sostenido con los palitos.

5. Una vez que esté todo ubicado correctamente, pegarlo con silicona.

6. Ya seca la silicona, pegar la segunda tapa, de manera que el tubito de lapicera sobresalga de esta.

Para la estructura principal usaremos la carcasa y el eje de un motor de 5v.

Es importante​ que el motor sea del tamaño suficiente para que entre en él el reed​ switch.​

Primero debemos desarmar el motor y quitar el bobinado del eje.

Luego que tengamos el eje libre vamos a presentar el reed switch sobre la cara​ interna de la carcasa del motor. En el espacio entre el motor y el eje debemos ubicar el imán.

En caso de ser necesario se debe agregar un tope al eje para que quede fijo dentro del motor.

Una vez terminado el eje, el siguiente paso es soldar el el cable al reed switch.

Por último pegaremos el reed switch en el interior de la carcasa del motor, paralelo al eje, teniendo en cuenta que este debe quedar frente al imán.

3.  Código

Separaremos el código en Principal​ (microbit conectada a sensores) y Secundario​ (microbit que recibirá los datos a distancia).

3.1 Principal

Nos centraremos en relevar los datos de los sensores y procesarlos. En el caso de la temperatura, presión y humedad estaremos siempre guardando en variables los datos

recibidos, debemos crear 3 variables “Temperatura​”,​ “Presión​”​ y “Humedad​”​.

En el  caso  del  pluviómetro​,​ será  necesario  definir  tres  variables:  “Cont​.Lluvia”,​

“Cte​.Pluviometro”​ y ”Lluvia​”,​ de modo que al pulsarse el PIN1​ se incremente en 1 la

variable “Cont​.Lluvia”​. Dentro del para​ siempre debemos​ modificar la variable “Lluvia​”​ como el producto entre “Cont​.Lluvia”​ y “Cte​.Pluviometro”,​ de modo de obtener l/(m^2).

Para el anemómetro​ debemos analizar la frecuencia de los pulsos que genera el sensor, para esto vamos a necesitar cuatro variables: “Cont​.Viento”,“​Cte​.Viento”,​

“frecuencia​”​ y “Vel​.Viento”​. Para​ calcular la frecuencia,​ en el para​ siempre debemos establecer en 0 “Cont.Viento”,​ el cual se incrementará en 1 con cada pulso, hacer una pausa de 1000 ms (1 seg), luego verificar si llegó más de un pulso en ese tiempo y si este

es el caso, asignar a “frecuencia​”​ el valor de “Cont​.Viento”​y en caso contrario asignar 0, de esta forma obtenemos las vueltas por segundo. Por último asignaremos a

“Vel​.Viento”​ el producto entre “frecuencia​”​ y “Cte​.Viento”,​ para obtener el valor de la velocidad en km/h.

En la imagen anterior podemos ver la implementación de lo mencionado anteriormente.

Observar que definimos ambas constantes como 1. Para determinar exactamente el valor de “Cte​.Pluviometro”​ tenemos que tener en cuenta la cantidad de agua volcada por el pluviómetro cada vez y la superficie que abarca el embudo del mismo. Lo que resulta “Cte.Pluviometro” = cant. agua volcada (l) / área embudo (m^2).

En el caso del anemómetro​,​ debemos medir la frecuencia para diferentes velocidades de viento conocidas, para esto se necesitará un anemómetro calibrado. La constante será la relación de proporción entre la frecuencia y la velocidad real.

Además de esto quisiéramos poder verificar que los datos relevados son coherentes. Para esto vamo a agregar el siguiente bloque, el cual permite al presionar el botón B observar en los leds el valor de las variables, una a la vez.

Por último queda resolver el envío de los datos a la microbit secundaria, cuando ésta los solicite.

Principalmente, debemos​ asignarle a ambas microbit el mismo grupo de radio, esta es la manera por la cual se

vinculan. Vamos a necesitar una variable​ auxiliar

“contador​”​ que permanecerá en 0 hasta recibir la orden de envío que se incrementara en 1 desencadenando el envío de los valores, enviando un dato a la vez con una letra asociada. Esto lo haremos agregando en el para​ siempre bloques lógicos “si” que según el valor del

“contador​”​ envie el dato correspondiente e incremente

en 1 su valor, en el último dato enviado se restablecerá a 0 el valor del “contador”. En la última imagen se aprecia esta lógica.

Además, en el bloque al​ recibir consultaremos​ por el valor recibido, de manera que si se recibe un 0 incrementa “contador” y si se recibe un 1 se restablecerá el valor de la variable “Cont.Lluvia” a 0.

3.2 Secundario

Esta microbit tendrá la posibilidad de solicitar a la principal los datos, borrar “Cont.Lluvia” y mostrar continuamente el valor de las variables principales. Para esto vamos a necesitar cinco variables “Presión”, “Temperatura”, “Humedad”, “Lluvia”, y “Vel. Viento” que iniciara en 0. En el para siempre mostraremos cada una de las variables anteriores.

Para solicitar y recibir los datos establecemos el mismo grupo de radio de la microbit principal, en este caso el 200. Usaremos el botón A para la solicitud y el B para reiniciar el contador del pluviómetro, enviando 0 o 1 respectivamente.

Para guardar en la variables lo datos recibidos filtraremos cada caso con la letra asociada, y luego de recibir el último dato se mostrará el tic en la pantalla.

4. Construcción

Esta sección de la documentación, será un ¨paso a paso¨ de cómo crear la estructura física de la estación meteorológica, la cual está compuesta principalmente por dos bidones de agua pegados entre sí, formando una especie de cápsula, de modo que sea posible resguardar todo el mecanismo de la estación dentro de esta.

Principalmente, llenamos con mezcla la base del bidón (7 centímetros de altura aprox), así obtenemos una mejor estabilidad de la estructura. Mientras esté fresca la mezcla hundimos algunos centímetros el frasco en esta y dejamos secar bien. En él se ubicará la microbit quedando totalmente protegida. También es necesario crearle un par de aberturas a cada lado del bidón, de tal modo que la estación esté bien ventilada y no afecte negativamente a los sensores de humedad, presión y temperatura. Será necesario un orificio pequeño para pasar el cable del cargador.

Luego, pegamos con silicona en la tapa del frasco un trozo del tubo de aluminio de aproximadamente 8 centímetros de altura donde ubicamos los sensores (DHT11 y BMP280) . También es necesario agujerear la tapa para pasar los cables de todos los dispositivos y le cable de alimentación.La parte interna de la estación quedó terminada, ahora solo queda el exterior, donde irán el pluviómetro y el anemómetro.

Para el pluviómetro, pegaremos una tapa debajo de éste, a la cual le haremos un agujero pequeño al costado y le pegaremos un sorbito, que actuará como desagüe. De este modo evitamos que el agua tirada por el pluviómetro caiga arriba de la estación.

Luego, pegamos la tapa arriba del fondo de un bidón como se muestra la foto y conectamos el cable del sensor reed switch con la microbit principal.

Para el anemómetro, será necesario un tubo hueco de aproximadamente medio metro de largo. Pegaremos con silicona en un extremo del tubo el motor de corriente continua (mencionado en la sección 4.4) y en el otro extremo, haremos un orificio por donde pasarán los cables que salen del motor.

Ubicamos el tubo dentro del bidón (en el cual se encuentra el frasco con la microbit principal) pasando por un orificio que hecho en la parte superior, junto al pluviómetro (este orificio tiene que tener mismo diámetro que el tubo).

Por último, conectamos los cables a los pines correspondientes y colocamos las cazoletas en el motor.

Una vez pasados todos los cables por la tapa y verificando que están lo suficientemente largos para conectar todo sin problemas, sellamos el agujero con silicona, cerramos la tapa del frasco y unimos los bidones con silicona.

Opcionalmente podemos pintar todo el conjunto con pintura en aerosol blanca.