Gestión automática de la potencia consumida en una...
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1 Miquel Artigas Casals Gestión automática de la potencia consumida en una vivienda TRABAJO DE FIN DE GRADO Dirigido por Don Esteban Del Castillo Pére Grado de ingeniería electrónica Tarragona 2018
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Miquel Artigas Casals
Gestión automática de la potencia consumida en una vivienda
TRABAJO DE FIN DE GRADO
Dirigido por Don Esteban Del Castillo Pérez Grado de ingeniería electrónica industrial y autom§tica
Tarragona
2018
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Índice General
Contenido
1.0 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3
2.0 OBJETIVO .............................................................................................................................. 7
3.0 MEMORIA DESCRIPTIVA ................................................................................................... 8
3.1 Comunicación ................................................................................................................................ 8
3.2 Gestión de potencia ..................................................................................................................... 12
3.3 Medida de corriente ..................................................................................................................... 14
3.4 Detector de paso por cero ........................................................................................................... 18
3.5 Microprocesador ........................................................................................................................ 21
3.6 Fuente de alimentación ................................................................................................................ 22
3.7 Límite máximo del tiempo de respuesta ....................................................................................... 23
3.8 Software ....................................................................................................................................... 24
4.0 ESQUEMA GENERAL ......................................................................................................... 26
5.0 PRESUPUESTO PROTOTIPO............................................................................................. 27
6.0 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... 30
7.0 ANEXOS ................................................................................................................................ 32
7.1 Código ......................................................................................................................................... 32
7.2 Prototipo PCB con ATmega2560................................................................................................. 37
7.3 Microprocesador ATMEGA228P ................................................................................................ 38
7.4 Sensor ACS712ELCTR-20A-T ..................................................................................................... 40
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1.0 Introducción
Este proyecto se centra en el diseño e implementación de un sistema empotrado
capaz de asistir en la gestión del consumo eléctrico de una vivienda.
El sistema actuará como un nodo esclavo en una red doméstica gestionada por un
nodo máster, como se muestra en la figura 1. El nodo esclavo atenderá las órdenes
de la unidad central. Sus tareas principales son dos: tomar lectura del consumo del
electrodoméstico asociado y conectarlo o desconectarlo de la red de distribución
eléctrica.
Figura 1. Representación gráfica del sistema de nodos.
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A nivel concreto, la implementación de dicha idea, supone:
- Al limitar el consumo de pico, se puede actualizar el contrato con la compañía
suministradora de energía eléctrica, reduciendo los costes. A continuación, se
muestra una tabla de referencia del ahorro posible a 60 días en la figura 2,
extraida del la web oficial de la compañía Selectra.
Figura 2. Tabla de ahorro de la potencia eléctrica.
- En el caso de contrato con discriminación horaria, dicha aplicación dispone de
las herramientas necesarias que permiten un mejor aprovechamiento de las
horas valle y discriminación de las horas punta, a petición del usuario.
- La posibilidad de realizar estudios sobre el consumo general o específico de
los electrodomésticos y así poder mejorar la gestión de la energía.
Hay que tener en cuenta que la substitución de electrodomésticos, o reformas
en el aislamiento térmico de la vivienda, puede alterar significativamente la
potencia requerida de pico.
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Como consecuencia de la imposibilidad tecnológica de almacenar grandes
cantidades de energía eléctrica, se hace imperativo ajustar la producción a la
demanda. Desafortunadamente, el consumo no se mantiene constante a lo largo
del día. Más bien al contrario, presentando grandes variaciones que obligan a
disponer de un complejo sistema de generación y transporte. Además dicho ritmo
fluctúa adversamente durante el transcurso del día y para mantener dicho sistema,
España dispone de un complejo mercado con una gran variedad de proveedores
de energía eléctrica, algunos de ellos contaminantes para el medio ambiente. A
continuación en la figura 3, se inserta una gráfica circular de la cobertura de la
demanda eléctrica en la península en el año 2017, extraida de la web oficial de la
Red Eléctrica de España.
Figura 3.
Un 56.9% de la energía en España proviene de fuentes no generadoras de C02, sin
embargo el 43,1% de 253.082 GWh fue generado con medios contaminantes, con
una media de 392 g de C02 por kWh, se generó un total de 99.208 toneladas de CO2 cada hora, en promedio.
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Según el plan nacional de calidad del aire en España, mediante las redes de
control, se informa que los contaminantes en el aire tales como el dióxido de
nitrógeno, ozono y PM10 superan los límites legales (ver figura 4).
Figura 4. Tabla del incumplimiento de los contaminantes atmosféricos.
Actualmente, España no dispone de los recursos energéticos necesarios para
sostener su propio consumo de forma limpia.
El mercado ibérico de la energía eléctrica emplea en primer lugar las energías
renovables y nuclear por ser respetuosas con el medio ambiente y su bajo coste,
sin embargo hay franjas del día que dichos proveedores no pueden abastecer la
energía solicitada debido a las oscilaciones del consumo.
Un objetivo de este proyecto es poner medios para que el consumo energético sea
más estable, abaratando su coste.
El 17 % de la energía proviene de las centrales más contaminantes, que generan
energía eléctrica a partir de combustibles fósiles. Estas son o deberían ser las
empleadas en última instancia. Si se logra reducir el consumo en las horas punta
eficientemente, es plausible si no la eliminación, la limitación de la necesidad de
estas centrales contaminantes.
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2.0 Objetivo
Este proyecto tiene como finalidad el diseño de los nodos esclavo de un sistema que
gestiona los distintos electrodomésticos de una vivienda, con asignación de
prioridades y asegurándose de que el consumo total no sobrepase la potencia
máxima contratada.
Para dicha gestión se empleará una configuración maestro-esclavos con
comunicación a través de la red doméstica, como la que se observa en la figura 5.
Figura 5. Esquema unifilar de la aplicación en una vivienda
Para desempeñar las funciones previstas, cada esclavo tendrá los siguientes
elementos:
- Un módem para la comunicación entre dispositivos.
- Un sensor de corriente para la medida del consumo del electrodoméstico.
- Un elemento de corte para la conexión y desconexión del electrodoméstico.
- Un circuito de sincronismo con la red.
- Una fuente de alimentación para abastecer a estos elementos.
- Un microcontrolador provisto de un programa, para realizar las funciones
encomendadas.
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3.0 Memoria Descriptiva
3.1 Comunicación
Existen dos soluciones para la comunicación entre dos o más dispositivos, alámbrica
e inalámbrica. Debido a que la comunicación inalámbrica puede verse comprometida
debido a las dimensiones y obstáculos de una vivienda y el sistema podría interferir-
se con el de otros. Se ha optado por la comunicación alámbrica.
La alternativa que no requiere de instalaciones, consiste en utilizar moduladores,
capaces de transmitir datos a través de la linea de red, sin necesidad de obras,
mediante frecuencias elevadas. Sin embargo, se requiere del cumplimiento de la
norma regulativa EN 50065-1, aplicada a los equipos eléctricos que utilizan señales
en el rango de frecuencias de 3 kHz a 148,5 kHz, para transmitir información en
sistemas eléctricos de baja tensión, ya sea en la red pública de distribución de
electricidad o dentro de las instalaciones de los consumidores. A través de sus
diversas partes se especifican los requisitos generales, las bandas de frecuencia, las
perturbaciones electromagnéticas, los requisitos de inmunidad, los filtros de
desacoplamiento y la impedancia del equipo.
Un posible candidato sería el módem TDA5051A, del fabricante NXP, por su bajo
coste, simplicidad y por cumplir con la norma regulativa EN 50065-1.
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En la figura 6, puede observarse un ejemplo de aplicación extraido de la hoja de
datos del fabricante, donde se observan los elementos de acoplamiento y protección,
así como, la interfase del módem con el microcontrolador.
Figura 6. Esquema electrónico del módem TDA5051A.
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A continuación se describen los distintos elementos de la figura 6, señalados
mediante flechas.
1 El circuito LC serie de la entrada de red, tiene como función filtrar la
frecuencia de red de 50 Hz, atenuando su entrada a la etapa de recepción
del módem y así evitar el solapamiento de las señales.
2 El transformador se emplea para acoplar el módem a la red y aislar el
circuito de la misma.
3 El circuito LC paralelo, junto con el filtro de la entrada, están dedicados al
tratamiento de la señal portadora, actúan como pasa banda, tal como se
muestra en la figura 7, extraida del datasheet del fabricante.
Figura 7. Gráfica de ganancia del fitrlo pasa banda.
4 Un condensador de acoplo, para impedir el paso de la tensión continua de
0,5 V que siempre existe en la salida TX.
5 Una etapa amplificadora con dos condensadores de acoplo.
6 Un supresor de transitorios para la protección de la entrada TX.
7 Un circuito oscilador para generar la señales de reloj internas del módem
y la frecuencia portadora.
8 Un condensador de desacoplo de la alimentación.
9 Un microcontrolador que controla el módem y gestiona los datos.
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Este módem, para transmitir un bit de nivel bajo, inyecta una señal portadora de 1 V
de amplitud sobre la red doméstica, a una frecuencia comprendida entre 95 a 148,5
kHz y para transmitir un bit de nivel alto, permanece inactivo.
Para saber el tamaño máximo de los paquetes de datos que se pueden transmitir, hay
que tener en cuenta dos factores:
- El tiempo que requiere transmitir un bit de información.
- La ventana que recomienda el fabricante, para transmitir por la red con un
menor riesgo de que la señal se corrompa. Debido a que la amplitud de la
portadora se hace más negligible, en los picos máximo y mínimo de la red
eléctrica.
En la figura 8 se muestra la posición de la zonas conflictivas mediante franjas
azules, como puede verse, la ventana de transmisión entre ambas franjas, abarcará
un tiempo máximo de 8 ms, por periodo de red. Es decir, cada periodo de red (20
ms) dispondrá de 8 ms para transmitir información.
Figura 8. Gráfica de la ventan de comunicación
Finalmente si tenemos en cuenta que el módem puede trabajar a 1200 baudios y
que la restricción de la ventana es de un tiempo máximo de 8 ms, se puede deducir
el tamaño máximo de los paquetes de información, en un total de de hasta 9 bits
por periodo de red.
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3.2 Gestión de potencia
Los actuadores esclavo requieren de un interruptor de potencia, capaz de conectar y
desconectar la carga. Por seguridad el equipo se ha diseñado para estar aislado de la
red. Se ha optado por un relé gobernado por un fototriac, como se muestra en la
figura 9, donde V_in es una salida digital del microcontrolador.
Figura 9. Esquema electrónico de un interruptor de alterna controlado por un microprocesador.
El modelo elegido de relé es el RM85-2011-35-5230, por trabajar a 230 V, soportar
hasta 16 A (la corriente máxima de una toma doméstica), ser de tamaño reducido,
para insertarse en una placa de circuito impreso y requerir una corriente nominal en
la bobina de 3 mA (bajo consumo). Se contempló la opción de emplear un relé de
las mismas característica, pero con bobina de 5 V cc, para ser alimentado
directamente, sin usar el optotriac. Desestimándose dicha opción, debido al alto
consumo de la bobina (83 mA), obligando al sobredimensionamiento de la fuente.
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El modelo elegido de fototriac es el TLP3043 requiere de 5 mA para saturarse y está
dotado con un detector de pasos por cero, evitando la generación de transitorios.
Como indica la gráfica de la figura 10, extraida del datasheet del fabricante, el
microprocesador ATMEGA328P subministra 4,85 V a 5 mA y el diodo led tiene una
caída de 1,7 V, aplicando la ley de ohm, obtenemos:
R6 = 4,85 𝑉−1,7 𝑉
5 𝑚𝐴 = 630 Ω
R6 = 560 Ω (valor estandarizado que asegura la corriente mínima).
Figura 10. ATMEGA328P. Salida de tensión, respecto la corriente subministrada.
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3.3 Medida de corriente
Hay dos métodos para medir la corriente alterna de red:
- Midiendo la intensidad eléctrica en relación a la tensión generada en bornes
de un resistor, conectado en serie con el circuito (shunt), este sistema genera
calor y el circuito de medición no está aislado del circuito de corriente.
- Midiendo la intensidad eléctrica en relación al campo magnético que genera
una corriente al circular por un conductor, el dispositivo que mide este campo,
utiliza un efecto llamado Hall, este sistema no genera calor y es aislado.
Se ha utilizado un sensor Hall porque esta aplicación se ha diseñado, por
seguridad, aislada de la red.
Este tipo de sensor estará situado en serie con la carga, por lo que tendrán que
soportar una corriente máxima de 16 A.
Un posible candidato que cumple con las especificaciones es el sensor
ACS712ELCTR-20A-T, con una sensibilidad de 100 mV/A.
Este sensor convierte la corriente en un rango de ± 20 A en una señal positiva de
entre 0,5 V y 4,5 V. En ausencia de corriente el sensor entrega 2,5 V.
Para más información del sensor ACS712ELCTR-20A-T, consultar el anexo 7.4.
Para limitar la cantidad de lecturas y calculos del microcontrolador, se ha optado
por la implementación de un detector de pico, como se muestra en la figura 11,
donde V_in es la señal procedente del sensor de corriente y V_Out es la señal
aplicada a la entrada analógica del microcontrolador. Teniendo en cuenta que
dicha entrada tiene una impedancia de 100 MΩ, se puede considerar como un
circuito abierto.
Figura 11. Esquema electrónico del detector de pico.
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Se ha elegido el amplificado OPA241, por los siguientes motivos:
- Fuente de alimentación única de 2,7 V a 36 V.
- Etapa de salida carril a carril (Vcc – 50 mV).
- Tensión de offset muy baja (± 100 mV).
- Bajo consumo (± 25 µA).
Se ha elegido el diodo 1N4148, por ser el más económico y con las siguientes
características:
- Tensión inversa de 100 V, respecto los 5 V máximos que puedo subministrar
el amplificador.
- Corriente directa de 150 mA, respecto los 30 mA máximos que puede
subministrar el amplificador y una caida máxima de 0,72 V.
- Es un diodo de conmutación rápido (4 ns).
En este circuito, el amplificador actúa como seguidor de tensión, cargando el
condensador C1 en la semionda positiva, con el valor de pico de la tensión, que es
proporcional a la corriente de la carga. En el flanco descendente de la semionda
positiva de la corriente y en los semiciclos negativos, el diodo D1 impide la
descarga del condensador. El resistor R1 tiene la función de que el sistema sea
dinámico, para que C1 pueda descargarse.
Características a tener en cuenta para el cálculo del circuito RC
- Las lecturas de corriente que realizará el microcontrolador, estarán
sincronizadas con la red, por tanto, el tiempo máximo de descarga de C1, estará
limitado por el tiempo mínimo entre dos lecturas consecutivas, fijado en 200
ms (10 periodos de red), permitiendo que el sistema esté coordinado con el
consumo.
- El sensor de corriente subministra 2,5 V cuando la corriente es nula y 2,5 V ±
100 mV/A, es decir 1,6 V a 16 A (corriente máxima en una toma doméstica).
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Cálculo del circuito RC
El objetivo de este circuito RC es mantener un valor promedio del consumo y en
el caso que este cese, el capacitor C1 se descargue en un máximo de 200 ms.
Por lo anteriormente mencionado, se analiza primero el sistema en su fase de
descarga, donde C1 esta cargado al valor de pico y tenemos las siguiente relación:
VOut (t) = Vmáx. e −𝑡
𝑅1𝐶1
Donde VOut es la tensión mínima que alcanzará el condensador (2,5 V) y Vmáx. es
la tensión de pico alcanzada (4,1 V caso más desfavorable).
2,5 V = 4,1 V x e −200 𝑚𝑠
𝑅1𝐶1
R1C1 = − 200𝑥10−3
ln (2,54,1)
= 0,404
Una posible solución, teniendo en cuenta los valores estandarizados que existen
en el mercado, sería:
C = 1 µF (Se ha elegido este valor, para limitar la corriente de carga desde el
amplificador y que la respuesta a variaciones de intensidad sea rapida).
R = 404 kΩ ≈ 390 kΩ 1/4 W (valor estandarizado que asegura un tiempo de
descarga inferior a 200 ms).
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A continuación en la figura 12 puede observarse la simulación del comportamiento del
sistema con dichos parametros y una entrada máxima de 4,1 V (16 A), mediante PSIM,
donde V_In es representado en color verde y V_Out en color rojo.
Figura 12. Gráficas de la simulación mediante PSIM del detector de pico.
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3.4 Detector de paso por cero
El detector de paso por cero tiene como función permitir al microprocesador
sincronizar sus procesos con la señal de red.
Para desempeñar dicha función y tener aislado el equipo de la red, se ha optado
por el uso de un optoacoplador de corriente alterna, como se indica en la figura
13.
Figura 13. Esquema electrónico del detector de paso por cero.
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Se ha utilizado el optoacoplador FOD814, capaz de trabajar con corrientes de
emisor de pocos mA, esto es importante, porque al estar conectado a tensión de
red, la resistencias limitadoras de corriente disiparán menos potencia. En la figura
14, está representado el rango de trabajo del optoacoplador, extraida del datasheet
del fabricante.
Figura 14. Gráfica de la saturación del colector-emisor respecto la corriente del diodo del FOD814 extraido
del datasheet del fabricante.
Cálculo de R3, R4 y R5
Para el cálculo de los resistores, se tendrá en cuenta las relaciones en la gráfica de
la figura 14.
Para el caso de R3 y R4, considerando una corriente directa máxima de 4 mA.
Tenemos:
R3 + R4 = 𝑉𝑟𝑒𝑑
𝐼𝐹𝑚á𝑥. =
230√2
0,004
R3 = R4 ≈ 39 kΩ (valor estandarizado)
PR3 = PR4 = 39000*0,0042 ≈ 0,7 W < 1 W (valor estandarizado)
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Para el caso de R5, hay que tener en cuenta los siguientes factores:
- La relación entre corriente directa y la de colector de la figura 14.
- El transistor estará saturado con una tensión entre colector y emisor de 0,2 V.
- El cero lógico del microcontrolador está por debajo de 3,5 V.
- La impedancia interna del microcontrolador en una patilla digital es de 50kΩ.
Para asegurar un cero lógico.Tenemos:
R5 ≥ 5 𝑉− 𝑉𝐶𝐸
𝐼𝐹𝑚á𝑥. =
5 𝑉− 0,2 𝑉
0,007 ≈ 690 Ω
En el otro caso, para asegurar un uno lógico. Tenemos:
5V x 50𝑘Ω
50𝑘Ω+𝑅5 = 3,5 V
R5 ≤ 21 kΩ
Para que la anchura del pulso sea mínima y se alcance un uno lógico de al menos
3,6 V. Se ha optado por una R5 = 18 kΩ 1 W (Valor estandarizado)
En la gráfica de la figura 15, puede observarse la simulación mediante PSIM del
detector de pasos por cero en color rojo, con dichos parametros y la señal de red
en color verde.
Figura 15. Simulación mediante PSIM del detector de paso por cero.
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3.5 Microprocesador
Para llevar a cabo esta aplicación, se necesita que el microcontrolador disponga
de los siguientes periféricos:
- UART o USART para gestionar la comunicación.
- Una salida digital para la conexión y desconexión del electrodoméstico.
- Una convertidor A/D para el sensor de corriente.
- Una entrada digital de interrupción para detectar los pasos por cero de la red.
- Una EEPROM para en caso de ausencia de alimentación eléctrica, conservar
los datos de configuración del usuario.
Un candidato de bajo coste que cumple con estos requisitos, es el ATMEGA328P.
Sin embargo, este modelo solo dispone de una USART, necesaria para la
comunicación por la red eléctrica. Tratándose de un prototipo, se ha optado por el
ATMEGA2560, dotada de más USARTs y permitiendo mediante el entorno
Arduino, una segunda comunicación con un ordenador por USB, permitiendo la
realización de pruebas y comprobaciones.
Para más información del ATMEGA328P, consultar el anexo 7.3.
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3.6 Fuente de alimentación
Para el diseño de la fuente, se requiere contabilizar el consumo máximo total.
- Consumo máximo para el módem = 68 mA a 5V
- Consumo máximo para el dispositivo on/off = 5 mA a 5V
- Consumo máximo para el sensor de corriente = 13 mA a 5V
- Consumo máximo para el detector de paso por cero = 2,5 mA a 5V
- Consumo máximo para el microcontrolador Atmega328 = 12 mA a 5V
Se requerirá una fuente que suministre 100,5 mA. Un dispositivo adecuado sería el
78M05, capaz de suministrar 500 mA a 5 V.
Se requerirá un transformador de 230 V / 7,5 V debido a que el regulador 78M05 requiere
un mínimo de 7V, para poder funcionar correctamente. Podremos calcular la potencia
requerida del transformador, como sigue:
Ptrafo. = V2√2 x IOut = 10,6 V x 0,1005 A ≈ 1 VA (estandarizado).
El modelo de transformador elegido es el HAHN BV UI 21 0008, tiene salida simétrica,
permitiendo rectificar la señal con solo dos diodos, reduciendo la caída te tensión.
El regulador 78M05 con encapsulado TO-220, puede trabajar sin radiador hasta 1,5 W,
teniendo en cuenta que:
Pregulador = IOut x (VIN – VDido – VOut) = 0,1005 A x (7,5 V – 0,7 V – 5 V) = 0.181 W
No necesitará radiador.
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3.7 Límite máximo del tiempo de respuesta
Esta aplicación tiene que considerar la curva de disparo del magnetotérmico doméstico,
debido a que el máster y los esclavos tienen un tiempo de respuesta. En la figura 16,
podemos ver la curva de un magnetotérmico de tipo B, siendo éste el más rápido que se
emplea para las viviendas y podemos observar que para una corriente que dobla la
nominal señalizada en rojo, hay un margen de tiempo considerable para actuar antes de
que éste pueda dispararse.
Figura 16. Gráfica del comportamiento de un magnetotérmico con curva de tipo B.
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3.8 Software
El diagrama de la figura 17, hacer referencia al funcionamiento ordinario del máster.
En primera lugar, el máster se comunica con todos los esclavos y registra los consumos,
acto seguido, compara la corriente total de la vivienda con la corriente máxima permitida,
si esta es inferior a dicho parametro, comprueba si hay esclavos desconectados y si es
posible reconectar los con el consumo actual. Si la corriente sobrepasa el consumo
permitido, el máster desactiva el electrodoméstico menos prioritario.
Figura 17. Diagrama de flujo del máster en modo operativo
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El diagrama de la figura 18, hace referencia a cómo se numeraran los esclavos, para poder
asignar prioridades. Una vez se conecte a la red un nuevo esclavo no registrado y
posteriormente con la activación de un pulsador, el máster iniciará el proceso de
numeración. El máster hará una petición a través de la red para verificar la presencia o no
de este nuevo esclavo, en caso favorable, leerá la memoria EEPROM y le asignara el
primer valor consecutivo disponible.
Figura 18. Diagrama de flujo de la configuración de un nuevo esclavo
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4.0 Esquema general
Figura 19. Esquema general
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5.0 Presupuesto prototipo
Código referencia
Descripción Ud. Precio unitario
Total
Comunicación TDA5051A
(Farnell) Es un IC módem, específicamente
dedicado a la transmisión ASK por
medio de la red de suministro de
energía doméstica, a 600 baudios o
a 1200 baudios de velocidad de
datos. Opera desde un suministro
único de 5 V.
1
5,36 €
5,360 €
209-213 (RS)
Condensador po. de 47 nF X2
(250 V AC)
1 3,040 € 3,040 €
896-1326 (RS) Condensador ce. de 100 nF (63 V) 1 0,230 € 0,230 €
538-2262 (RS) Condensador ce. de 1 µF (16 V) 1 0,235 € 0,235 €
920-3135 (RS) Condensador ce. de 10 nF (16 V) 2 0,175 € 0,350 €
538-1310 (RS) Condensador ce. de 100 nF 1 0,240 € 0,240 €
831-3168 (RS) Condensador ce. de 27 pF 2 0,342 € 0,684 €
800-4366 (RS) Inductor de 47 µH con baja Rs 1 0,570 € 0,570 €
110-1297 (RS) Inductor de 22 µH 1 0,384 € 0,384 €
Murata 78250 (Farnell)
Transformador de Aislamiento,
PCB, 300 mA.
1 2,170 € 2,170 €
764-5521 (RS) Diodo TVS unidireccional
SAS.0A
1 0,262 € 0,262 €
146-3945 (RS) Cristal de 7,3728 MHz 1 0,173 € 0,173 €
BC547B (Farnell)
Transistor NPN 45 V 100 mA 1 0,240 € 0,240 €
740-9079 (RS) Resistencia de 100 Ω (1/4 W) 1 0,044 € 0,044 €
679-1844 (RS) Resistencia de 1 kΩ (1/4 W) 1 0,060 € 0,060 €
679-1765 (RS) Resistencia de 10 kΩ (1/4 W) 1 0,052 € 0,052 €
679-2055 (RS) Resistencia de 33 kΩ (1/4 W) 1 0,067 € 0,067 €
679-1812 (RS) Resistencia de 150 kΩ (1/4 W) 1 0,060 € 0,060 €
679-2017 (RS) Resistencia de 2,2 MΩ (1/4 W) 1 0,060 € 0,060 €
Subtoatal comunicación 14,281 €
Gestión de potencia RM85-2011-35-
5230 (RS) Relé sin enclavamiento, para PCB
a 230 V ac
1 8,770 € 8,770 €
TLP3043 Optoacoplador Toshiba,
TLP3043(S,C,F), entrada DC,
Salida Triac, Montaje en orificio
pasante, PDIP, 5 pines
1 0,0242 € 0,996 €
679-2225 (RS) Resistencia de 560 Ω (1/4 W) 1 0,060 € 0,060 €
Subtotal gestión de potencia
9,826 €
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Código referencia
Descripción Ud. Precio unitario
Total
Medida de corriente ACS712ELCTR-
20A-T (RS) Sensor de efecto Hall, Lineal
SOIC, 8 pines, alimentación 4,5 a
5,5 V
1 4,990 € 4,990 €
OPA241 (RS) Amplificador operacional,
alimentación 3 a 28 V 35kHz
SOIC, 8 pines
1 3,820 € 3,820 €
1N4148 (RS) Diodo de conmutación, 150mA y
100V.
1 0,153 € 0,153 €
264-4220 (RS) Condensador ce.de 2,2 µF 1 0,165 € 0,165 €
679-1884 (RS) Resistencia de 1,5 MΩ (1/4 W) 1 0,060 € 0,060 €
Subtotal medida de corriente 9,188 €
Detector de paso por cero FOD814 (RS) Optoacoplador con entrada AC,
Salida Fototransistor Doble,
Montaje en orificio pasante.
1 0,442 € 0,442 €
905-9708 (RS) Resistencia de 27 kΩ (1/2 W) 2 0,064 € 0,128 €
679-1765 (RS) Resistencia de 10 kΩ (1/4 W) 1 0,052 € 0,052 €
Subtotal detector de paso por cero 0,622 €
Microcontrolador ATMEGA328P
(RS) CPU de 8 bits 1 kB RAM, 32 kB
Flash, TQFP 32 pines 20MHz.
1 1,63 € 1,63 €
264-4416 (RS) Condensador ce. de 100 nF 3 0,050 € 0,050 €
867-3930 (RS) Interruptor de Botón Pulsador
IP67, SPST-NA, PCB, Off, 50
mA
1 2,698 € 2,698 €
679-1765 (RS) Resistencia de 10 kΩ (1/4 W) 1 0,052 € 0,052 €
Subtotal microcontrolador 4,430 €
Fuennte de alimentación HAHN BV UI 21 0008 (TEM)
Transformador: cerrado; 1VA;
115/115VCA; 7,5V; 7,5V; 67mA;
67mA
1 3,980 € 3,980 €
78M05 (RS) Regulador de tensión lineal,
500mA 5 V TO-220
1 1,343 € 1,343 €
537-0455 (RS) Condensador electrolítico, 220μF,
±20%, 16V dc, Montaje en
Superficie.
1 0,394 € 0,394 €
648-0604 (RS) Condensador tántalo 1,5 µF, ±
10%, 25 V dc, montaje
superficial.
1 0,303 € 0,303 €
1N4004 (RS) Diodo, 1A, 400V, DO-204AL 2 0,081 € 0,162 €
Subtotal fuente de alimentación 6,182 €
Coste total del material No se han incluido los gastos de envio
44,529 €
29
Costes asociados del diseño Actividad Días laborables Importe %
Diseño 10 1600,00 € 30,30
Proyección 20 3200,00 € 60,60
Construcción 3 480,00 € 9,09
Subtotal de la mano de obra
33 5280,00 € -
Gastos Generales - 686,40 € 13,00
Beneficio industrial - 316,80 € 6,00
Suma de G.G. y B.I. 6283,20 € -
I.V.A. - 1319,47 € 21,00
Coste total de la mano de obra
- 7602,67 € -
Resumen total Base imponible I.V.A. (21%) Total
Coste total del material
35,18 € 9,35 € 44,53 €
Costes asociados al diseño
6283,20 € 1319,47 € 7602,67 €
Total proyecto 7647,20 €
30
6.0 Bibliografía
Tabla de ahorro de potencia
https://comparadorluz.com/faq/reducir-potencia-electrica
Gráfica circular de la aportación energética en España en el 2017.
http://www.ree.es/es/sala-de-prensa/notas-de-prensa/2017/12/la-demanda-de-energia-electrica-
peninsular-continua-su-recuperacion-y-crece-un-1-2-por-ciento-en-el-2017
Factor energético peninsular 2017
http://canviclimatic.gencat.cat/es/redueix_emissions/com-calcular-emissions-de-
geh/factors_demissio_associats_a_lenergia/
Plan nacional de la calidad del aire en España (2017-2019)
http://www.mapama.gob.es/es/calidad-y-evaluacion-ambiental/temas/atmosfera-y-
calidad-del-aire/planaire2017-2019_tcm30-436347.pdf
Artículo ABC sobre la contaminación
https://www.abc.es/sociedad/abci-bruselas-mantiene-ultimatum-espana-y-ocho-paises-
contaminacion-aire-201801301704_noticia.html
Datasheet microcontrolador ATmega328
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-
Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf
Datasheet optoacolpador FOD814
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/FOD814-D.PDF
31
Datasheet módem TDA5051A
https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TDA5051A.pdf
Curvas de respuesta de los magnetotérmicos.
http://www.uco.es/~el1bumad/docencia/minas/ie06t4.pdf
Datasheet regulador 78M05
https://www.st.com/resource/en/datasheet/l78.pdf
32
7.0 Anexos
7.1 Código
El código para los esclavos se ha realizado sobre el prototipo con el modelo de
microcontrolador ATMEGA2560.
Librerias:
- #include <SoftwareSerial.h> Permite utilizar funciones que gestionan el puerto serie.
- #include <TimerOne.h> Permite utilizar un temporizador de 16 Bits con interrupción.
- #include <EEPROM.h> Permite utilizar funciones para la gestión de la memoria no volatil
EEPROM.
Variables:
- const int IntCal=3; //Interrupción externa para la calibración del sensor. - const int IntNE=2; //Interrupción externa para el número de esclavo. - int NT=0; //Número de trama. - int Trama=B000000; //Define el tamaño de la trama en 6 Bits. - const int PD=18; //A nivel bajo activa la transmisión de datos del módem. - const int IntPCT=3;
//En flanco ascendente advierte del paso por cero de la tensión. - const int Electrodomestico=12; //Permite el paso de la corriente. - int PM=0; //Direccionamiento de la posición de memoria de la EEPROM. - int CEM = 0; //Corriente eficaz media. - int TramaMandada = 1;
33
Inicializaciones:
- Serial1.begin(1200, SERIAL_6E1); //Configuración del puerto serie a 1200 baudios, con datos de 6 Bits, paridad par y un Bit de stop.
- attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(IntCal), Calibrar, RISING); //Configuración de la interrupción externa para calibrar el sensor de corriente.
- attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(IntPCT), PasoPorCero, RISING); //Configuración de la interrupción externa de los pasos por cero de la tensión de red, llamando a la función paso por cero cuando detecta un flanco ascendente.
- detachInterrupt(IntPPC); //Desactivación de la interrupción externa de paso por cero.
- pinMode(PD, OUTPUT); //Definimos la variable PD como una salida del microcontrolador.
- pinMode(Electrodomestico, OUTPUT); //Definimos la variable Electrodoméstico como una salida del microcontrolador.
//Accede a la memoria para identificar el número de esclavo asociado al mismo.
int NE = EEPROM.read (1);
//Calibración del sensor de corriente.
int BA = EEPROM.read (2); // bite alto, dato calibración del cero.
int BB = EEPROM.read (3); // bite bajo.
int calCero = (msd *256 )+ lsd; //Reconstrucción del dato y almacenamiento. BA = EEPROM.read (6); // bite alto, dato calibración del fondo escala
BB = EEPROM.read (7); // bite bajo.
int calFull = (msd *256 )+ lsd; //Reconstrucción del dato y almacenamiento.
34
Funciones:
- void PasoPorCero()Timer1.initialize(6000); //Inicializa el temporizador para activarse a los 6 ms.
- void ISR_Timer1() Timer1.stop(); //Desactiva el temporizador. digitalWrite(PD, LOW); //Activa la transmisión del módem. Serial1.write(TCE); //Transferencia de trama. digitalWrite(PD, HIGH); //Desactiva la transmisión del módem. detachInterrupt(IntPPC); //Desactiva la interrupción de paso por cero. TramaEnviada=0; //Confirmación de trama enviada.
- void LeerCorriente() int CE = 0; //Corriente eficaz int FE = 160; //Factor escala. int Pcmax = calCero; //Valor máximo de la corriente. for(int i=0; i<=5;i++)
while(millis() - tiempo < 20) //Bucle de 20 ms.
int CE= analogRead(A5); //Lectura del sensor. if(CE >= Pcmax)
PCMi = SC; //Almacena el valor mínimo.
Pcmax = ((PCMa-calCero)*FE)/calFull;
//Conversión. CEM = (CE+CEM);
//Promedio de dos lecturas. CEM = CEM/5; //Promedio de 5 lecturas. TCE=CEM; BA = highByte (CEM); BB = lowByte (CEM);
35
- void Calibrar()
LeerCorriente(); If(CEM <= 550) calCero = CEM; //Calibración del cero.
else
CEM = CEM - calCero;
calFull = (CEM*10)/16; //Calibración de fondo escala (16 A). BA = highByte(calCero); BB = lowByte(calCero); EEPROM.write(2, BA); delay(5);
EEPROM.write(3, BB); delay(5);
BA = highByte(calFull); BB = lowByte(calFull);
EEPROM.write(4, BA); delay(5);
EEPROM.write(5, BB); delay(5);
Programa principal:
void loop()
if(NT==0) PM=1; NE=EEPROM.read(PM); NT=1;
if(Serial1.available()>0) //Espera a la recepción de datos.
Trama=Serial1.read(); //Lectura de los datos.
If((NT==2)&&(Trama==0)) //Trama de apagado.
36
digitalWrite(Electrodomestico, LOW);
If((NT==2)&&(Trama==1)) //Trama de encendido.
digitalWrite(Electrodomestico, HIGH);
If((NT==2)&&(Trama==2)) //Numeración de esclavo.
NE=Trama;
EEPROM.write(1, NE);
If((NT==2)&&(Trama==3)) //Consulta de consumo.
LeerCorriente();
TCE = BA; interrupts(); //Activación de la interrupción PCT.
while(TramaEnviada==0)
TramaEnviada=1;
TCE = BB;
interrupts(); //Activación de la interrupción PCT.
while(TramaEnviada==0)
TramaEnviada=1;
If((NT==1)&&(Trama==NE))NT=2;
//Si la trama 1 coincide con el número del esclavo pasa a la escucha de la orden situada en la trama 2.
if(NT==2)NT=1;
37
7.2 Prototipo PCB con ATmega2560
Figura 20. Prototipo PCB.
38
7.3 Microcontrolador ATMEGA228P
A continuación se adjunta la información más relevante extraída del datasheet del
fabricante Atmel.
Tabla de características del fabricante:
39
Diagrama de bloques:
Configuración de los pines:
40
7.4 Sensor ACS712ELCTR-20A-T
A continuación se incluye la información más relevante del ACS712ELCTR-
20A-T, extraída del datasheet del fabricante.
