MONITOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON INTERFACE INALÁMBRICA PARA SISTEMA MONOFÁSICO JORGE ELIECER BARRERA ZAPATA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍAS INGENIERÍA MECATRÓNICA PEREIRA 2016 1 MONITOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON INTERFACE INALÁMBRICA PARA SISTEMA MONOFÁSICO JORGE ELIECER BARRERA ZAPATA Tesis de grado para optar al título de Ingeniero en Mecatrónica Director DIEGO FERNANDO SALAZAR PATIÑO Ingeniero Electricista UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGIAS INGENIERÍA MECATRÓNICA PEREIRA 2016 2 Nota de aceptación: Firma del presidente del jurado Firma del jurado 3 AGRADECIMIENTOS A Dios. Por sembrar en mí sentimientos de paz y alimentarme cada día de pensamientos bonitos para proyectar mi luz al mundo. A mi madre, Ceneida Zapata; y mi padre, Eliecer Barrera, gracias por darle color a mi vida y nunca dejarme solo. Por confiar siempre en mí, he encontrado mi camino, mi razón de ser. A mi familia, de quienes he recibo siempre apoyo sincero. A mi hermosa esposa Jessica por su apoyo incondicional, quien con su actitud siempre motivándome a seguir luchando por mis sueños y logros, finalmente al ingeniero Diego Salazar que más que mi director de trabajo de grado y guía, lo considero mi amigo, gracias por las lecciones de vida que no enseñan en la universidad, gracias por su tiempo y paciencia. 4 INDICE GENERAL INTRODUCCIÓN pág. 1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA…………………………………..........……………….13 1.1. PLANTEAMIENTO……….…………………………………………………………..…13 2. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 14 3. OBJETIVOS .............................................................................................................. 15 3.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................ 15 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 15 4. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 16 4.1. SISTEMA DE CONTROL DE ENERGIA EN EL HOGAR .................................... 16 4.1.1 EL PROPÓSITO (MISIÓN)………………………………………………………16 4.1.2 COMPONENTES OPEN ENERGY MONITOR PROJECT…….……………..16 4.1.3 INFORME DE SITUACIÓN………………….………………………………...…17 4.2 MONITOREO DE USO DE ELECTRICIDAD ..................................................... 18 4.2.1. FONDO……………………………………………..……………………………..19 4.2.2. MONITOREO….………………………..…………………………....................19 4.2.3. ARDUINO COMO MEDIDOR DE POTENCIA INALÁMBRICA………………20 5. DISEÑO METODOLÓGICO ....................................................................................... 21 5.1. VARIABLES ELÉCTRICAS A CONTROLAR…………..……..…………………..…21 5.1.1. PODER REAL……………………………………....……………………....…..22 5.1.2. RMS MEDIDA DE TENSIÓN Y CORRIENTE…….………………..………..23 5.1.3. VOLTAJE RMS…………………………………………..……….……….……24 5 5.1.4. CORRIENTE RMS…………………………………………….……………...24 5.1.5. POTENCIA REAL……………………………………………………………………..…..25 5.2. HARDWARE…………………………....………………………………………….…....25 5.2.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ARDUINO MEGA………………….…....27 5.2.2. FILTRO RC…………………………………………………….…………….…..28 5.2.3. CIRCUITO PARA ADQUISICIÓN DE SEÑAL DE VOLTAJE……………....29 5.2.4. CIRCUITO PARA ADQUISICIÓN DE SEÑAL DE CORRIENTE…………..34 5.2.5. PANTALLA DE VISUALIZACIÓN LCD 16*2………...…………………….…37 5.2.6. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA INTERFACE BLUETOOTH………...................................…………………………..…………………..……38 5.2.7. RELOJ DE TIEMPO REAL DS1307………………………….......………..…..39 5.2.8. MEMORIA EXTRAÍBLE O MICRO SD……………………..……….………....41 5.2.9. BOTONES, PULL UP……………………………….…………………………...42 5.3. SOFTWARE..........................................................................…...........................44 5.3.1. IDE ARDUINO…………………………………………………………….…....44 5.3.2. APLICACIÓN PARA DISPOSITIVOS ANDROID….......…………………....45 5.3.3. CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN……………..…………………….………....48 5.4 DISEÑO DE PCB………………………………………………………..……………...48 6. MANUAL DEL USUARIO...……………………………………………………..………..….51 7. ANÁLISIS DE DATOS EXTRAÍDOS DE LA MEMORIA MICRO SD………………….....60 8. CALIBRACIÓN DE EQUIPO……………………………………….…………………....…..63 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………...…………………..…..…68 10. CRONOGRAMA ........................................................................................................ 70 6 11. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 72 12. ANEXOS……...……………………………….……………………………………………....74 7 LISTA DE TABLAS TABLA 1: Lectura de voltaje del Prototipo TABLA 2: Lectura de voltaje con pinza MUT-202 LISTA DE GRÁFICAS: GRÁFICA 1: Comparativo voltajes medidos con MUT-202 y monitor de energía eléctrica con interface inalámbrica para sistema monofásico. GRÁFICA 2: Comparativo corrientes medidas con MUT-202 y monitor de energía eléctrica con interface inalámbrica para sistema monofásico. 8 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1: Sistema de monitoreo de hardware de energía del hogar. FIGURA 2: Medir de forma automática y representación gráfica de uso de electricidad. FIGURA 3: Transformador de corriente. FIGURA 4: Placa Arduino Duemilanove. FIGURA 5: Muestra instantánea de tensión y corriente FIGURA 6. Placa de desarrollo Arduino Mega 2560 FIGURA 7. Filtro de primer orden pasivo RC FIGURA 8. Circuito acondicionador de señal de voltaje FIGURA 9. Circuito acondicionador de señal de voltaje con filtro RC FIGURA 10. Adaptador transformador de voltaje FIGURA 11. Señales de voltaje antes y después del filtro RC. FIGURA 12. Sensor de corriente no invasivo FIGURA 13. Circuito acondicionador señal de corriente FIGURA 14. Circuito acondicionador señal de corriente con filtro RC FIGURA 15. Señales de corriente (11A) antes y después del filtro RC. FIGURA 16. Conexión pantalla LCD FIGURA 17. Módulo Bluetooth HC-05 FIGURA 18. Conexión cruzada módulo bluetooth FIGURA 19. Módulo reloj de tiempo real DS1307 FIGURA 20. Módulo micro sd 9 FIGURA 21. Esquema de conexión PULL UP FIGURA 22. Prototipo conectado en proto board FIGURA 23. Esquema gráfico conexiones prototipo FIGURA 24. Diseño de pantalla para aplicación Android FIGURA 25. Diseño de algoritmo por bloques para aplicación Android FIGURA 26. Diseño de PCB FIGURA 27. Simulación 3D de PCB FIGURA 28. Montaje de componentes en PCB (construcción de shield) FIGURA 29. Prototipo terminado FIGURA 30: Pinza multiamperimetrica MUT-202 10