Medidor de ROE y potencia, parte II (Instrumento)

En esta segunda entrega, se describe el montaje del instrumento que incluye el microprocesador, las entradas, el regulador de tensión, la pantalla y los compo­nentes. Se trata de presentar opciones y criterios para seleccionar los escasos componentes necesarios, aunque cada uno de ellos tiene una amplia variedad de opciones.

 El microprocesador

«Arduino es una compañía de código y hardware abiertos. A la vez, es el proyecto de una comunidad internacional que diseña y manufactura placas de desarrollo para construir dispositivos digitales interactivos que pueden detectar y controlar objetos del mundo real.» Así es como define Wikipedia una placa Arduino.

Entre los «objetos del mundo real» que cita Wikipedia se encuentran muchos de los equipos y accesorios que utilizamos los radioaficionados. Numerosos aparatos controlados por microprocesadores comparten espacio en las estanterías de nuestro cuarto de radio. Uno de los accesorios más frecuentes, es un instrumento que sirve para monitorizar el comportamiento de la línea de transmisión y la antena, conocido como “medidor de ROE”.

Una placa Arduino no es más ni menos, que una placa de circuito impreso que soporta un microprocesador y todos los componentes necesarios para su funcionamiento. El microprocesador puede ser programado con un lenguaje de nivel medio, accesible a la capacidad cognitiva humana, mediante un entorno de desarrollo integrado (IDE = Integrated Drive Electronics). La placa incluye uno o varios puertos de comunicación, terminales de acceso a las entradas y salidas (pines), reguladores de tensión y componentes pasivos.

Arduino NANO

Para este proyecto se puede utilizar cualquiera de las dos placas más básicas: UNO y NANO. Ambas son similares en cuanto a las prestaciones, puesto que llevan el mismo microprocesador TTL de 5V, aunque difieren en el formato y tamaño. El diseño de la placa NANO dispone de 8 pines analógicos frente a los 6 que incluye UNO. Ambas placas disponen de suficiente capacidad para ejecutar los procesos que requiere el proyecto.

  • Microprocesador ATMEGA328
  • Memoria Flash 32 KB
  • SRAM 2KB
  • Reloj 16 MHz
  • 6 y 8 I/O analógicas con ADC de 10 bit

 A la hora de comprar una placa Arduino

Como consecuencia del concepto de hardware abierto, existe diversidad de fabricantes que ofertan placas compatibles a precios muy bajos con el inconveniente de que algunas compras pueden plantear algún problema a la hora de instalar los drivers. Las placas oficiales utilizan como puerto USB el circuito integrado ATmega16U2 de ATMEL en el Arduino UNO y el FT232RL de FTDI en el NANO para el puerto USB. El precio de estas placas ronda los 20 euros.

Una alternativa más económica son las placas compatibles, UNO y NANO, que incluyen el circuito UART CH340 cuyo pre­cio puede variar entre los 3 y 6 euros. Se pueden encontrar tam­bién placas compatibles UNO con el CI 16U2, por menos de 10 eu­ros, pero hay razones para desconfiar de cualquier placa ofertada en China que incluya un puerto de FTDI por menos de 5 euros, ya que existe el riesgo de incompatibilidad con los drivers.

 El display

Disponemos de varias opciones para elegir la pantalla de comu­nicación. Lo más socorrido es un display 1602 de 2 líneas por 16 dígitos. Económico y funcional, pero un poco escaso para propor­cionar toda la información que deseamos. La alternativa, es un display 2004 de cuatro líneas y 20 dígitos que es el que vamos a utilizar en el prototipo.

Ambas pantallas LCD incorporan de fábrica un puerto paralelo que implica conectar 12 cables. Sin embargo, se pueden añadir adaptadores basados en el chip PCF8574 que permiten la comunicación a través del puerto I2C. Este puerto utiliza dos cables para la conexión de las líneas SDA y SCL y otros dos más para la alimentación. Muchas de las ofertas del display 2004 incorporan de origen este adaptador ya soldado. Arduino UNO y NANO disponen de un puerto I2C, en los mismos pines: 27 (SDA, A4) y 28 (SCL, A5). Arduino UNO dispone de otros dos pines más conec­tados al puerto I2C (consultar la hoja de datos).

Otra opción interesante es utilizar una pantalla TFT táctil de 3,5’’ relativamente sencilla de programar, como la Nextion. El tamaño de caja estará condicionado por la pantalla que vayamos a utilizar.

Reloj en tiempo real

El instrumento para monitorizar el comportamiento de la antena y la línea funciona únicamente durante la transmisión, de forma que se pueden añadir otras funcionalidades para aumentar las prestaciones durante los periodos que no se transmite. Por ejemplo, un reloj que indique la fecha, la hora local y la hora UTC. Para este cometido, sólo es necesario añadir un módulo RTC (Real Time Clock) y el software de proceso.

Los módulos RTC se utilizan habitualmente como reloj, calendario y para programar diferentes aparatos y procesos. Mantienen su funcionamiento durante años aunque se apague la alimentación externa, debido a que llevan una pila incorporada con un consumo mínimo.

El módulo DS3231 es un RTC que incorpora un oscilador TCXO con una precisión de ±2ppm a temperaturas de 0 a 40°. Hay que tener en cuenta que existe una variante económica del chip (DS3231M) que no dispone de un oscilador compensado en temperatura y, por lo tanto, con una precisión menor. Se pueden obtener de la nube varias librerías de uso libre para el DS3231 que incorporan funciones para extraer la hora y la fecha y día de la semana. Las funciones de estas librerías identifican los días de cada mes, incluyendo el cambio de febrero en los años bisiestos. También dispone de dos alarmas diarias programables por software.

La comunicación con el Arduino se establece a través del puerto I2C, por lo que no necesita más que dos terminales para la comunicación y dos más para la alimentación a 5V.

Regulador de tensión

Todos los componentes funcionan a 5V cuya tensión se puede re­gular a través de la placa UNO o mediante una fuente de alimenta­ción externa. El consumo total se puede estimar por debajo de los 100 mA con la pantalla 1602 o 2004 y de 220 mA a 250 mA con la pantalla TFT Nextion de 3,5’’.

La primera opción sería alimentar todo el conjunto a través del regulador del UNO (entrada de barrilete) que soporta una corriente máxima de 800 mA. La tensión de entrada debe estar entre los 7,5V y los 12V . Si utilizamos la misma fuente que la del transceptor (13,8 V), la disipación del circuito integrado sería de, aproximadamente, 880 mW con un display 1602 o 2004 y 1,8 W con la pantalla TFT. Por esta razón, aprovechando el espacio en la placa auxiliar, se puede incorporar un circuito integrado regulador LM-1805 que entrega al conjunto 5V y soporta mejor la disipación, sobre todo si añadimos un pequeño disipador. En este caso, la entrada de alimentación de la placa Arduino se debe realizar a través de la entrada Vin de la placa UNO o NANO.

Componentes montado en la placa shield

Todos los componentes se instalan en una placa perfora­da del mismo tamaño que la del Arduino UNO (shield). En los laterales se han soldado terminales macho que encajan en los terminales
laterales hembra de la placa UNO.

  • Las conexiones se realizan con terminales Molex.
  • Entrada de las tensiones directa y reflejada (3 pines, A0, G, A1).
  • Entrada de la alimentación a la entrada Vin (2 pines, + y Ground).
  • Salida de alimentación 5V al display (2 pines, + y Ground).
  • Salida del puerto I2C al display (2pines, SDA y SCL).
  • Salida del puerto serie (2 pines, TX y RX).
  • Zócalo para el módulo RTC DS3231 (8 pines de los que se co­nectan 4: SDA, SCL, Gound y +).
Esquema del instrumento

Serán necesarios, además:

  • 2 condensadores de 0,01 multicapa.
  • 1 condensador electrolítico (o tantalio) de 1 uF.
  • 1 condensador electrolítico (o talalio) de 0,33 uF.
  • 2 chokes de RF de 220 uH.
Placa shield del lado de los componentes
Placa shield de lado de las pistas visto como transparencia desde el lado de los componentes

Para este prototipo, en el sensor, se han bobinado los transformadores con una relación de espiras de 1:: 23 y se ha añadido un divisor de tensión compuesto por dos resistencias pareadas de 1% R1 = 4740 Ω y R2 = 10.720, con un factor de división de 1:1,44, lo que permite utilizar el instrumento con un transmisor de 385 W. Todos los componentes del sensor se han instalado en una caja Minibox de Retex de 105 mm x 55 mm x 35 mm.

La caja donde se aloja el Arduino con los componentes y la pantalla, dependerá de la disponibilidad, por ejemplo, Minibox de Retex, adecuada para el tamaño del display seleccionado. En el panel frontal sólo es necesario el espacio para el mismo, aunque se puede añadir un interruptor que corte la alimentación sin que afecte al RTC que dispone de alimentación propia. El panel trasero o lateral debe albergar dos entradas RCA para las tensiones directa y reflejada, otra para la entrada de alimentación exterior y los huecos para el conector USB y la alimentación interna de la placa Arduino UNO, si es necesario.

La siguiente tabla, sirve únicamente como referencia del costo. Los precios se pueden reducir comprando en los grandes distribuidores chinos.

ComponenteTipoPrecio
Placa Arduino UNO o NANOCompatible con FT232RL9,18
Módulo RTC
DS3231
Adafruit12,09
Display 160216 columnas 2 líneas + I2C7,98
Display 200420 columnas 4 líneas + I2IC6,99
LCD TFT 3,5’’Nextion22,02

Las pantalla Nextion de 3,5’’ se pueden obtener directamente del mercado chino entre los 20€ y los 27€, dependiendo de las ofertas. Existe otro modelo más económico de 3,2’’.

REFERENCIAS:

NOTAS: Deseo agradecer a José Luis, EA2CJA. su paciencia y ayuda con los dibujos, a Javier, EA1EVR. por su máster en el manejo de displays con Arduino y la comunicación vía puerto serie (todo un arte), a José Angel, EA2ET, por su aportación sobre el comportamiento de las líneas de trans­misión.

Este trabajo ha sido publicado en el número de marzo de la revista “Radioaficionados” de la URE. En breve se publicará la tercera entrega que describe el sketch.

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