Sistema de Control de Temperatura

El Sistema de Control de Temperatura es un diseño basado en la recopilación de datos de la temperatura de dos transistores a partir de sensores que permiten medir esta variable y utilizando Arduino UNO como microcontrolador. Con la ayuda de pasta térmica, la energía del transistor al calentarse es transferida por conducción y convección al sensor de temperatura. Además, este proyecto dispone de una interfaz desarrollada en Python para visualizar la información y monitorear el estado de los dispositivos.

Funcionamiento Básico

La información acerca de la temperatura registrada por el termistor es reunida por el microcontrolador para posteriormente ser enviada a través de comunicación serial a una computadora; mediante el código desarrollado y cargado al Arduino UNO, el monitor serial del software Arduino recibe estos datos, los cuales inmediatamente son expedidos al programa diseñado en Python para mostrar en una interfaz los resultados obtenidos en tiempo real tanto de manera numérica como gráfica, además de permitir controlar el encendido y apagado de los transistores.

Programas Requeridos

En primer lugar se tiene que disponer del software de Arduino para poder comunicarse con el microcontrolador, cargar el programa en el mismo y recibir la información en el monitor serial. Para la descarga e instalación se recomienda seguir los pasos especificados en los siguientes enlaces:

Para Windows:

• Como instalar Arduino en Windows.

Para Ubuntu:

• Cómo instalar Arduino IDE en las últimas versiones de Ubuntu.

De igual manera, se requiere del IDE de python para poder ejecutar el código de la interfaz que mostrará la información enviada a través de Arduino. Para la descarga e instalación se recomienda seguir los pasos especificados en los siguientes enlaces:

Para Windows:

• Download the latest version for Windows.

• Download Spyder for Windows.

Para Ubuntu:

• IDLE Python, un entorno integrado de desarrollo para el aprendizaje.

Nota: es importante mencionar que los anteriores tutoriales de las páginas web recomendadas no son de nuestra autoría.

Cargar y ejecutar los Programas

Primeramente se debe cargar el programa a la tarjeta de Arduino UNO, para ello hay que seguir las siguientes instrucciones:

1. Conectar la tarjeta Arduino.

La placa de desarrollo debe de ser conectada a la computadora al puerto USB. El LED de encendio de la placa debería de iluminarse.

2. Ejecutar el IDE de Arduino

Ir al escritorio o buscar la aplicación de Arduino.

3. Abrir el archivo correspondiente

Para ello únicamente hay que ir al menú Archivo > Abrir > Buscar el archivo lecturaArduino

4. Cargar el programa en la tarjeta

Es necesario indicar el dispositivo con el que se está trabajando, en Herramientas > Placas > Seleccionar Arduino Uno

También el puerto en el que se encuentra conectada la placa, en Herramientas > Puerto > Seleccionar el puerto adecuado

Ahora simplemente hay que dar click en subir

A continuación, ya es posible ejecutar el código de Python para disponer de la interfaz para entablar la comunicación y comenzar a recibir los datos de Arduino.

Instalación de librerías de Python

Es altamente probable que, la primera vez que se ejecute el programa en el sistema operativo del usuario, se muestren ciertos errores debido a la ausencia de algunas librería que se importan en el programa necesarias para la ejecución del mismo y sus funciones. Por lo que, si este es el caso deben instalarse todos los módulos faltantes; antes es preciso verificar algunas cuestiones como:

• Versión de Python del sistema

Para conocer cuál es la versión de python que tenemos instalada solo hace falta escribir en la terminal la siguiente instrucción:

python --version

Es probable que sea alguna de las versiones de python3 (no importa cual), si no es así es recomendable llevar a cabo esta actualización puesto que algunas librerías suelen no ser compatibles entre la versión 2 y 3 de Python.

• Orden pip instalada

Una vez realizado esto, hay que comprobar también si se encuentra instalado el paquete pip, este es un sistema de gestión de paquetes utilizado para instalar y administrar paquetes de software escritos en Python. Para ello escribimos en la terminal:

pip list

Si el resultado es un error, advertencia o mensaje de que no se ha encontrado la orden especificada, hay que ejecutar en la terminal la instrucción y esperar a que finalice la instalación:

sudo apt install python3-pip

Si ya se dispone de este paquete, ya se puede comenzar con la instalación de las librerías.

Algunas de los posibles errores emitidos por Python al ejecutar el programa acerca de los módulos ausentes son:

• No module named 'matplotlib'

Para su instalación se ejecutar la siguiente línea en la terminal:

pip install matplotlib

• No module named 'serial'

Para su instalación se ejecutar la siguiente línea en la terminal:

pip install serial

• No module named 'Tkinter'

Para su instalación se ejecutar la siguiente línea en la terminal:

pip install tkinter

• cannot import name 'imageTk' from 'PIL'

Este error es un poco distinto y suele ser por problemas de compatibilidad con el paquete pillow, se puede solucionar ejecutando la siguiente instrucción en la terminal:

sudo apt-get install python3-pil python3-pil.imagetk

Notas: es posible que al usar otro IDE de Python no se requiera solucionar estos errores por que los módulos ya vienen instalados con el programa; también puede que, si ocurren estos errores, el procedimiento de instalación de los módulos sea diferente al trabajar en un entorno distinto; además, si es el caso de que falta algún otro módulo de librería solo hay que ejecutar la instalación del mismo con la instrucción "pip install"; información adicional sobre otro tipo de errores no mencionados aquí se puede encontrar en diversas páginas web

Código en Arduino

A continuación, se presenta una breve explicación acerca del funcionamiento del programa diseñado en el IDE de Arduino:

En primer lugar, se establecen los puertos a utilizar del microcontrolador, para ello se definen 2 constantes correspondientes a la entrada de datos analógicos (pines A0 Y A1) a partir de los sensores de temperatura y otras 2 para las salidas que encenderán a los transistores (pines 6 y 7); además de ello, se declaran las variables que guardan los datos de las lecturas recibidas y las que almacenan el valor convertido de la temperatura en grado centígrados, por último una variable que indica el estado proporcionado desde Python para encender o apagar los transistores:

#define in1 A0
#define in2 A1
#define out1 6
#define out2 7
float temp1, lectura1, temp2, lectura2;
String estado;

Ahora, en la función setup() se indica el uso del monitor serial a una velocidad de comunicación de 9600 baudios, además de el modo de funcionamiento de los pines de entrada y salida:

Serial.begin(9600);
pinMode(in1, INPUT);
pinMode(in2, INPUT);
pinMode(out1, OUTPUT);
pinMode(out2, OUTPUT);

En el ciclo prrincipal loop(), primeramente se establecen las instrucciones para la lectura de datos. las variables de lectura almacenan un valor analógico que consta de valor entre 0 a 1023; posterior a ello se utiliza una ecuación donde la parte que corresponde a (lecturax * 5000 / 1024) convierte la medición realizada a voltaje entre 0 a 5000mV; ahora, el fabricante del sensor TMP36 indica que la salida de tensión será de 10 mV (mili voltios) por cada grado de temperatura, por lo que el resultado del voltaje se divide entre 10 para realizar la conversión a temperatura; se imprimen los resultados en el monitor serial para poder leerlos desde Python:

lectura1 = analogRead(in1);
lectura2 = analogRead(in2);
temp1 = (lectura1 * 5000 / 1024 / 10) - 33;
temp2 = (lectura2 * 5000 / 1024 / 10) - 37;
Serial.println(temp1);
Serial.println(temp2);

Finalmente, se codifican las líneas para cambiar el estado del transistor dependiendo de la información recibida desde Python en el monitor serial, por lo que antes que nada se debe de verificar los datos disponibles en este, para luego realizar la lectura de la variable en este monitor y enviarla a la placa de Arduino para encender o apagar el transistor indicado:

if(Serial.available()>0){
    estado = Serial.readString();
    if(estado == "on1"){
      digitalWrite(out1, HIGH);
    }
    else if(estado == "off1"){
      digitalWrite(out1, LOW);
    }
    else if(estado == "on2"){
      digitalWrite(out2, HIGH);
    }
    else if(estado == "off2"){
      digitalWrite(out2, LOW);
    }
}

Se establece también un retardo de 100 milisegundos para repetir el ciclo.

Código en Python

A continuación, se presenta una breve explicación acerca del funcionamiento del programa para la interfaz de usuario diseñada en Python:

En primer lugar, se importan todas las librerías o módulos necesarios, previamente instalados, de no ser así ir a la sección de Instalación de librerías de Python.

from threading import Thread
import collections
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
import time
import serial
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg
import tkinter as tk
from matplotlib.lines import Line2Ds

Aquí se encuentran las funcionaes necesarias para: crear hilos con threading, hacer una colección o lista con los datos a graficar con collections, dibujar los datos en una gráfica animada con líneas 2D y visualizarla en la interfaz utilizando los módulos de la librería de matplotlib, establecer la comunicación serial con Arduino usando serial, el diseño de la interfaz se hace con el paquete tkinter y finalmente, se importa time para ocupar algunos retardos de tiempo.

A continuación, el código dispone de una serie de funciones que son llamadas entre sí y se utilizan también en los distintos objetivos de la interfaz para mostrar la información recibida de Arduino y mantener la interacción con el usuario:

Para comenzar, se declaran ciertas variables, aquellas cuyo valor es modificado dentro de alguna función se definen como globales, el resto se inicializan de manera normal.

global isRun
global on1
global on2
global conected
conected = False
on1 = False
on2 = False
isReceiving = False
isRun = False
numData = 2 #Número de datos a recibir de Arduino
datos = 0.0 #Variable de dato a leer desde Arduino
dato = 0.0 #Variable del dato convertido a float
serialPort = 'COM3' #Puerto al que está conectado el Arduino
baudRate = 9600 #Baudios configurados en Arduino
estado = "off" #Variable de estado que se enviará al serial

La variable isRun representa si la función de lectura y graficación de datos está corriendo, on1 y on2 son los estados de encendido o apagado en que se encuentran los transistores, mientras que isReceiving confirma que se han recibido datos correctamente. numData hace referencia a que se recibirán 2 datos desde Arduino, correspondientes al sensor 1 y 2, datos es la información leída desde Arduino en forma de string, dato es la variable dato leído convertido a flotante, serialPort es el puerto al que se encuentra conectado el micrcontrolador, baudRate es la velocidad de comunicación a la que está trabajando el monitor serial de Arduino, estado representa el dato que se envía a Arduino para encender o apagar alguno de los transistores.

Ahora bien, la función conectar_serial se utliza para entablar la comunicación con el monitor serial de Arduino.

def conectar_serial(): 
    global arduino
    global conected
    try:
        arduino = serial.Serial(serialPort, baudRate)
        arduino.timeout = 0.2
        time.sleep(0.5)
        print("CONECTADO")
        btnStart.config(state = "normal")
        btnConectar.config(state = "disabled")
        btnManual.config(state = "normal")
        btnManual2.config(state = "normal")
        conected = True
    except:
        print("Error de conexión")

arduino es el objeto encargado de establecer la conexión, sus atributos son el puerto serie y la tasa de baudios, timeout es el tiempo en que se están leyendo los datos constantemente, además se requiere de un pequeño retardo para lograr correctamente la comunicación de datos en primera instancia. Posterior a ello, únicamente se habilitan y deshabilitan botones para su uso en la interfaz.

La siguiente función leer_datos se usa para comenzar a recibir los datos de Arduino una vez lista la comunicación.

def leer_datos():
    time.sleep(1.0)
    arduino.reset_input_buffer()
    print("leyendo")
    while(conected):
        if(isRun == True):
            global isReceiving
            global dato
            global data
            for i in range(numData):
                datos = arduino.readline().decode("utf-8").strip()
                print(datos)
                if(datos != ''):
                    print("RECIBIENDO..." + str(i))
                    dato = float(datos)
                    data[i].append(dato)
                    if(i == 0):
                        var.set("TEMPERATURE 1: " + str(dato) + " °C")
                    else:
                        var2.set("TEMPERATURE 2: " + str(dato) + " °C")
                else:
                    break;
                isReceiving = True

Esta, a partir de un ciclo while al que se puede entrar una vez iniciada la conexión con Arduino, se encarga de leer y guardar en una variable datos la información decodificada en forma de cadena desde el monitor serie para, una vez asegurado que se ha leído un dato y no es información vacía, hacer su conversión a flotante y agregar este dato a la colección que se graficará posteriormente, además de poder visualizar el valor de la temperatura en la interfaz mediante una etiqueta ya sea que se trate del sensor 1 o 2. Cabe mencionar que cada que se muestra un print es para poder visualizar en la consola de python algún error o la parte del código donde nos encontramos.

Puesto que la lectura de datos se debe efectuar simultaneamente a la graficación de los mismos, es necesario correr la función de leer_datos en un hilo a parte:

def iniciar_hilo():
    global thread
    global isRun
    btnStart.config(state = "disabled")
    isRun = True
    thread = Thread(target=leer_datos)
    thread.start() #Inicio de la lectura
    btnStart.config(state = "disabled")
    btnPause.config(state = "normal")

Ahora, la siguiente función iniciarGrafica es la que se va a encargar de graficar mediante líeas 2D la colección de datos que recibe, pero para ello ocupa ser llamada posteriomente.

def iniciarGrafica(self, muestras,lines):
    global dato
    lines[0].set_data(range(muestras), data[0])
    lines[1].set_data(range(muestras), data[1])

Para poder guardar la gráfica que se muestra actualmente en la interfaz se utiliza la función:

def guardarGrafica():
    plt.savefig('miFigura.png')

En control de los transistores se efectua a partir de las siguientes dos funciones:

def control1():
    global on1
    global estado
    global arduino
    if on1 == False:
        on1 = True
        btnManual.config(bg = "#55DE1E", text = "ON")
        estado = "on1"
        arduino.write(estado.encode())
    else:
        on1 = False
        btnManual.config(bg = "red", text = "OFF")
        estado = "off1"
        arduino.write(estado.encode())

def control2():
    global on2
    global estado
    global arduino
    if on2 == False:
        on2 = True
        btnManual2.config(bg = "#55DE1E", text = "ON") 
        estado = "on2"
        arduino.write(estado.encode())
    else:
        on2 = False
        btnManual2.config(bg = "red", text = "OFF")
        estado = "off2"
        arduino.write(estado.encode())

Según sea el botón de la interfaz con el que se interactúa, se hace la función de on/off de los transistores, para ello se hace uso de las variables on1 y on2 que indican el estado actual de estos dispositivos, de manera que si se presiona algún botón se ingresa a la función y se comprueba su estado actual, si el valor booleano actual de la variable on es False se enciende el transistor y se envía este cambio de estado al serial de Arduino, de lo contrario si el valor actual es True se apaga el transistor correspondiente e igualmente se envía la información a Arduino. El botón cambia de color y texto según el estado en que se encuentre el dispositivo, además se modifica el valor booleano de la variable on1 u on2.

Para pausar la obtención de datos y detener la gráfica se utiliza la función pausar, la cual interrumpe el evento de la animación de las líneas y cierra la conexión con Arduino, además el botón de Resume se habilita y el de pause se deshabilita:

def pausar():
     global isRun
     global arduino
     isRun = False
     anim.event_source.stop()
     arduino.close()
     btnResume.config(state = "normal")
     btnPause.config(state = "disabled")

De manera similar, mediante la función reanudar se entabla nuevamente la conexión para recibir la temperatura de los transistores y se grafican nuevamente estos datos:

def reanudar():
     global arduino
     global isRun
     conectar_serial()
     arduino.reset_input_buffer()
     isRun = True
     anim.event_source.start()
     btnResume.config(state = "disabled")
     btnPause.config(state = "normal")

Con la función desconectar_serial se detiene completamente la comunicación con Arduino, asimismo se deshabilitan los botnes para interactuar con la interfaz, esto con el propósito de finalizar la ejecución del programa.

def desconectar_serial():
    global isRun
    global conected
    anim.event_source.stop()
    isRun = False
    conected = False
    arduino.close()
    btnPause.config(state = "disabled")
    btnResume.config(state = "disabled")
    btnManual.config(state = "disabled")
    btnManual2.config(state = "disabled")

Ahora bien, ya conociendo la labor de cada una de las funciones, lo siguiente corresponde a la parte del diseño de la interfaz que verá el usuario:

Primeramente, se declaran ciertas variables ncesarias para graficar los datos provenientes de Arduino:

muestras = 100
tiempoMuestreo = 100
data = []
lines = []
for i in range(numData):
    data.append(collections.deque([0] * muestras, maxlen = muestras))
    lines.append(Line2D([], [], color = "blue"))

muestras indica la cantidad de datos que se van a almacenar y visualizar, se crea una lista para guardar las lecturas de temperatura de los sensores y, de igual manera, lines que son las líneas 2D de cada figura para graficar los datos.

Con las siguiente instrucciones se crea una nueva figura donde se van a visualizar las gráficas en la interfaz, posteriormente se agregan los respectivos subplots ax1 para el sensor 1 y ax2 para el sensor 2; en este caso se establece que se van a distribuir en la pantalla con un tamaño de 2 filas por 1 columna y se establecen sus límites de xlim indicando de 0 a 100 muestras y ylim para ver un rango de 0 a 150°C; también se le incorpora un título a cada subplot y etiquetas a los ejes; finalmente, y muy importante, indicar la línea que va a graficarse en cada subplot:

fig = plt.figure(facecolor = '0.94') #creación de la gráfica (figura)

ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1, xlim=(0,100), ylim=(0, 150)) #Rango de ejes
ax1.title.set_text("Sensor 1 - Arduino")
ax1.set_ylabel("Voltaje")
ax1.add_line(lines[0])

ax2 = fig.add_subplot(2, 1, 2, xlim=(0,100), ylim=(0, 150)) #Rango de ejes
ax2.title.set_text("Sensor 2 - Arduino")
ax2.set_xlabel("Muestras")
ax2.set_ylabel("Voltaje")
ax2.add_line(lines[1])

Todo lo que se muestra a continuación corresponde a la aplicación de funciones y objetos que forman parte de la paquetería de tkinter para haces el diseño y la distribución de los elementos de la interfaz:

root= tk.Tk()
root.title("Sistema de calentamiento")

var = tk.StringVar()
var2 = tk.StringVar()
frame = tk.Frame(root, bd=2)
frame.grid(column=0, row=3, columnspan=2, sticky="nsew")
frame1 = tk.Frame(root)
frame1.grid(column=0, row=1, columnspan=2, sticky="EW")
frame2 = tk.Frame(root)
frame2.grid(column=0, row=2, columnspan=2, sticky="EW")
frame0 = tk.Frame(root)
frame0.grid(column=0, row=0, columnspan=2, sticky="EW")

root.columnconfigure(0, weight=1)
root.columnconfigure(1, weight=1)
root.rowconfigure(3, weigh=5)

canvas = FigureCanvasTkAgg(fig, master=frame)
canvas.get_tk_widget().pack(padx=0, pady=0, expand=True, fill='both') 
labelBlank = tk.Label(frame1, text="")
labelBlank.grid(row=0, column=4, pady=2, padx=25)
btnManual = tk.Button(frame1, text = "OFF", command = control1, bg = "red", state = "disabled")
btnManual.grid(row=0, column=6, pady=2, padx=10)
labelState = tk.Label(frame1, text="Transistor 1 State:")
labelState.grid(row=0, column=5, pady=2, padx=5)
labelBlank2 = tk.Label(frame1, text="")
labelBlank2.grid(row=0, column=7, pady=2, padx=125)
btnManual2 = tk.Button(frame1, text = "OFF", command = control2, bg = "red", state = "disabled")
btnManual2.grid(row=0, column=9, pady=2, padx=10)
labelState2 = tk.Label(frame1, text="Transistor 2 State:")
labelState2.grid(row=0, column=8, pady=2, padx=5)
btnConectar = tk.Button(frame1, text = "Connect", command = conectar_serial, bg="#00F1FC")
btnConectar.grid(row=0, column=0, pady=2, padx=10)
btnStart = tk.Button(frame1, text = "Start", command = iniciar_hilo, bg="#008C17", state="disabled")
btnStart.grid(row=0, column=1, pady=2, padx=10)
btnPause = tk.Button(frame1, text = "Pause", command = pausar, bg="#E2E200", state="disabled")
btnPause.grid(row=0, column=2, pady=2, padx=10)
btnResume = tk.Button(frame1, text = "Resume", command = reanudar, bg="#00F428", state="disabled")
btnResume.grid(row=0, column=3, pady=2, padx=10)
btnDesconectar = tk.Button(frame2, text='Disconnect', command = desconectar_serial, bg="#FE5E5E")
btnDesconectar.grid(row=0, column=0, pady=2, padx=10)
labelData = tk.Label(frame2, textvariable=var, font="Helvetica 10 bold")
labelData.grid(row=1, column=1, pady=2, padx=230)
labelData2 = tk.Label(frame2, textvariable=var2, font="Helvetica 10 bold")
labelData2.grid(row=1, column=2, pady=2, padx=1)

barraMenu = tk.Menu(frame0)
barra1 = tk.Menu(barraMenu)
barra1.add_command(label="Guardar gráfica", command=guardarGrafica)
barraMenu.add_cascade(label="Archivo", menu=barra1)
root.config(menu=barraMenu)

root es el objeto que representa la ventana de la interfaz, esta es la base o el lienzo donde se van a acomodar todos los componentes a visualizar; var y var2 son textos variable que almacenan el valor de la temperatura de ambos sensores según este cambie; frame, frame0, frame1y frame2 son secciones o espacios para distribuir de una manera más sencilla y limpia las etiquetas, botones y gráficas; se declara la variale canvas para poder visualizar con tkinter las gráficas en la interfaz; al presionar los botones btnManual y btnManual2 hacen llamar a las funciones de control1 y control2 anteriormente descritas; el botón btnConectar sirve para iniciar la comunicación con Arduino, llama a conectar_serial; mientras que btnDesconectar finaliza la conexión; los botones de btnStart, btnPause y btnResume se utilizan para iniciar, pausar y continuar la graficación de datos, haciendo la llamada a las funciones iniciar_hilo, pausar y reanudar, respectivamente; las etiquetas labelData y labelData2 muestran el valor que contienen las variables var y var2; finalmente, en barraMenu se incluye un menú Archivo para disponer de la opción de guardar la gráfica en la carpeta donde se encuentra el programa.

Por último, con el módulo de animation se lleva a cabo la actualización continua de la gráfica, para ello se le dan de argumentos la figura declarada, la función de inicarGrafica ya descrita, los argumentos de esta función que son el número de muestras y las líneas 2D a graficar, el tiempo de muestro y, finalmente, cache_frame_data controla si los datos del frame se almacenan en caché, el valor predeterminado es Verdadero, deshabilitar el caché puede ser útil cuando los frames contienen objetos grandes, hacer esto es opcional comúnmente en Windows pero suele ser necesario en Linux en caso de algún error. Con esto, ya es posible ejecutar la ventana root con la función de mainloop de tkinter.

anim = animation.FuncAnimation(fig, iniciarGrafica, fargs=(muestras, lines), interval = tiempoMuestreo, cache_frame_data=False)

root.geometry('1000x600')
root.mainloop()