Un nuevo horizonte para NILMTK con OpenZmeter


En plena crisis energética, el consumo eléctrico supone una importante fuente de gasto, tanto para las empresas, como para los ciudadanos podríamos haber reducido  las emisiones  de  32,23 Megatoneladas de Co2.

Para intentar optimizar el consumo eléctrico de cualquier entidad, es necesario previamente medir éste de la forma más fiel posible, pues no se puede optimizar nada que no se pueda medir, siendo lo ideal monitorizarlo en tiempo, con objeto de generar alarmas, registrar eventos y crear informes de análisis de calidad de energía.

Algunas de las utilidades de monitorizar el consumo eléctrico:

  • Estudiar los hábitos de consumo en función de las franjas horarias con objeto de promover políticas destinadas a su reducción.
  • Detectar picos indebidos de consumo en horas de baja actividad con objeto de detectar “consumos fantasmas” y consumos indebidos.
  • Racionalizar el gasto energético consumiendo sólo lo necesario evitando derroches superfluos, contribuyendo de esta manera a luchar contra el cambio climático.
  • Predecir el consumo energético estudiando el histórico.
  • Trasladar los picos de consumo, cuando sea posible, a otras franjas horarias con objeto de no sobrecargar la red.
  • Detectar cortes de suministro con objeto de generar alarmas o tomar medidas correctivas.
  • Diagnosticar posibles fallos tanto en las instalaciones como en los aparatos eléctricos.
  • Servicios relacionados con AAL (Ambient Assisted Living), es decir servicios para la independencia de las personas mayores .
  • Detectar consumos indebidos causados por sabotajes de las instalaciones.
  • Optimización de la demanda contratada.

Usando técnicas de monitorización según muchos expertos se puede ahorrar desde un 15% hasta  20%. Y no solo esto va de ahorro económico pues por ejemplo en España en 2020 podríamos haber reducido  las emisiones  de  32,23 Megatoneladas de Co2.

En este contexto, contamos con el OpenZMeter, un medidor monofásico de energía eléctrica, que es además también analizador de calidad de la energía. Este dispositivo, es  de código abierto,  cuenta  con capacidades de IoT y permite medir una amplia gama de variables eléctricas a una elevada frecuencia de muestreo (15625Hz).

Este nuevo código intenta completar  las capacidades del OZM adaptando para ello la herramienta de desagregación de la demanda NILMTK, mediante la ampliación del  uso de TimeStamp de 13 dígitos,  la creación  de dos nuevos convertidores y conversores con el soporte de transitorios hasta el orden 50 de tensión , corriente y potencia, la generación de dos nuevos DS y el desarrollo del nuevo  código abierto para la desagregación. 

Para ello, el entrenamiento contempla el uso de dos de los algoritmos de desagregación más conocidos, como son el de Optimización Combinatoria (CO) y el Modelo de Markovv Factorial Oculto (FHMM).

OZM requiere para la desagregación un periodo bastante más pequeño de unos 30” en contraposición con los requeridos con otros DS públicos que suele estar en torno a los 15’.

Tras el entrenamiento, los datos agregados pueden introducirse en el modelo para su desagregación y posterior análisis de los resultados obtenidos obteniéndose un error que no supera el 1%.

Gracias a que NILMTK proporciona funciones para calcular las métricas de los resultados de cada algoritmo de desagregación, en este estudio podemos comparar resultados obtenidos con diferentes métodos, periodos de muestreo, algoritmos y DS.

Resultados DEPS                                

RESULTADOS  OZM

Destaca el error mínimo en la desagregación así como  las métricas           MNEAP y RMSE cuyo comportamiento son bastante superiores en OZM frente a otros DS públicos

Conclusiones

  •  El uso de componentes armónicos se   demuestra que mejora el resultado de  casi  todas las métricas dependiendo mucho del tipo del dispositivo eléctrico.
  •  El comportamiento del nuevo DS  supera en tiempos de muestreo y métricas a otros DS públicos.
  • Se entrega código abierto  funcional que permite desagregar por completo una instalación convencional.
  •  En un horizonte futuro, como continuación de este trabajo, se propone obtener un mecanismo automatizado para desplegar en una instalación convencional para hacer posible mostrar en tiempo real  la desagregación del consumo energético de los diferentes aparatos eléctricos que lo constituyen.

Video resumen

En el siguiente video podemos ver un resumen en video de los conceptos y resultados mas importantes que hemos visto en este post:

NOTA : El código fuente del proyecto lo podemos encontrar en https://github.com/crn565

Hablemos de la familia STM32


La familia STM32 de microcontroladores de 32 bits basada en el procesador Arm ® Cortex ® -M está diseñada para ofrecer nuevos grados de libertad a los usuarios de MCU. Ofrece productos que combinan un rendimiento muy alto, en tiempo real, procesamiento de señales digitales, operación de baja potencia/bajo voltaje y conectividad, al mismo tiempo que mantiene una integración total y facilidad de desarrollo.

La gama incomparable de microcontroladores STM32, basada en un núcleo estándar de la industria, viene con una amplia variedad de herramientas y software para respaldar el desarrollo de proyectos, lo que hace que esta familia de productos sea ideal tanto para proyectos pequeños como para plataformas de extremo un extremo.

En este cuadro podemos ver un resumen de todas sus varaintes:

Arm® Cortex®-M en pocas palabras

El grupo de núcleos de procesador Arm® Cortex®-M es una serie de núcleos optimizados para la eficiencia energética y el funcionamiento determinista. Se usa ampliamente en microcontroladores (MCU) y también se puede encontrar integrado en microprocesadores multinúcleo (MPU).

brazo corteza microcontrolador mcu

Desde el núcleo del microcontrolador Cortex®-M3 inicial y la introducción de variantes de núcleo optimizadas para bajo consumo , como Cortex®-M0 y luego Cortex®-M0+ , rendimiento , con Cortex®-M7 , tiempo real , con Cortex®- M4 o seguridad con el último Cortex®-M33 , la arquitectura Arm® Cortex®-M es la arquitectura estándar de facto para MCU de uso general de 32 bits. También ofrece una alternativa convincente a las arquitecturas MCU de 8 y 16 bits de propósito general.

Las principales ventajas de tener la arquitectura de perfil Arm® Cortex®-M estandarizada en esta familia de núcleos son:

  • para que los ingenieros transfieran fácilmente su código de una serie de MCU a la otra. Pueden elegir el equilibrio adecuado entre eficiencia energética, rendimiento informático, seguridad y variedad de periféricos para su sistema.
  • aprovechar un rico ecosistema de proveedores de silicio y de proveedores de herramientas de software y hardware
  • para acelerar la innovación en aplicaciones integradas

STMicroelectronics es uno de los primeros en adoptar los núcleos Arm® Cortex®-M y lidera el mercado con la cartera más grande de MCU Cortex®-M de 32 bits.

Ofrece a los ingenieros:

  • la opción de microcontroladores más flexible y escalable del mercado con más de 1000 números de pieza
  • la experiencia de diseño más integrada con un amplio ecosistema de herramientas y software MCU creado por ST y socios autorizados
  • 10 años de compromiso de longevidad de suministro

Desde su lanzamiento en 2007, STM han vendido más de 6 mil millones de microcontroladores basados ​​en Arm® Cortex®-M STM32 de 32 bits en todo el mundo.

El procesador central Arm® Cortex®-M3 de 32 bits está diseñado para un procesamiento en tiempo real de alto rendimiento en aplicaciones con costos limitados y puede manejar tareas complejas. Cualquier microcontrolador Arm® Cortex®-M3 ofrece alta escalabilidad combinada con un compromiso óptimo entre rendimiento y costo.

Características clave del núcleo Arm® Cortex®-M3

  • Arquitectura Armv7-M
  • Interfaz de bus 3x interfaz AMBA AHB-lite (arquitectura de bus de Harvard) Interfaz AMBA ATB para componentes de depuración de CoreSight
  • Compatibilidad con instrucciones de subconjunto Thumb/Thumb-2
  • tubería de 3 etapas
  • Controlador de interrupción vectorial anidado (NVIC)
  • 8 regiones MPU opcionales con subregiones y región de fondo
  • Instrucciones de procesamiento de campo de bits integradas y bandas de bits a nivel de bus
  • Interrupción no enmascarable + 1 a 240 interrupciones físicas con 8 a 256 niveles de prioridad
  • Controlador de interrupción de reactivación
  • Multiplicación de ciclo único de hardware (32×32), división de hardware (2-12 ciclos), soporte de ajuste saturado
  • Instrucciones WFI y WFE integradas y capacidad Sleep On Exit. Señal de sueño y sueño profundo, modo de retención opcional con kit de administración de energía del brazo
  • Puertos opcionales JTAG y Serial Wire Debug. Hasta 8 puntos de interrupción y 4 puntos de vigilancia
  • Instrucción opcional (ETM), seguimiento de datos (DWT) y seguimiento de instrumentación (ITM)

corteza del brazo m3 

Diagrama de bloques de Arm Cortex-M3

Serie MCU Arm® Cortex®-M3 de última generación

Pequeña huella de pie

El tamaño reducido del núcleo permite que se use como un núcleo único en dispositivos pequeños o como un núcleo complementario incorporado adicional cuando se requiere un aislamiento de hardware específico o una partición de tareas. Gracias a los avances en las tecnologías de fabricación de silicio, el proceso de litografía pasó de 180 a 90 nm y menos, y el núcleo de silicio ahora alcanza los 0,03 mm² en litografía de 90 nm.

De manera similar a Cortex®-M0 y Cortex®-M0+ , el núcleo Cortex®-M3 tiene un bajo impacto en el equilibrio que se debe realizar entre los elementos típicos de una arquitectura MCU, basada en E/S, analógica y memorias no volátiles. Por lo tanto, el tamaño del bus (8, 16 o 32 bits) ya no es relevante al particionar carteras de MCU.

Los microcontroladores Cortex®-M3 se utilizan ampliamente y ofrecen varios beneficios :

  • Cumplen con los requisitos de rendimiento en aplicaciones de nivel de entrada.
  • También son adecuados para aplicaciones de propósito general.
  • La arquitectura de los procesadores Arm® Cortex®-M3 ofrece una alta escalabilidad y permite reutilizar los diseños existentes en diferentes proyectos.
  • Y, por lo tanto, le permite reducir los costos generales de propiedad y facilitar los pasos de desarrollo .

Consumo de energía dinámico de 10 a 150 µW/MHz

La potencia dinámica del núcleo oscila entre 10 y 150 µW/MHz según la tecnología utilizada. Sin embargo, el núcleo en sí no es representativo del consumo total de energía de un dispositivo y no es el único factor a tener en cuenta. Por lo tanto, es importante leer atentamente las fichas técnicas de los productos.

El conjunto de instrucciones Thumb es un subconjunto de la familia Cortex-M. Facilita la escalabilidad de la cartera mediante la reutilización de bloques de software validados para cualquier producto Cortex-M.

Unidad de protección de memoria (MPU)

La Unidad de Protección de Memoria (MPU) administra el acceso de la CPU a la memoria . Garantiza que una tarea no corrompa accidentalmente la memoria o los recursos utilizados por otras tareas activas. La MPU generalmente está controlada por un sistema operativo en tiempo real (RTOS).

Si un programa accede a una ubicación de memoria que está prohibida por la MPU, el RTOS puede detectarlo y tomar medidas. En un entorno RTOS, el kernel puede actualizar dinámicamente la configuración del área MPU, según el proceso que se ejecutará. La MPU es opcional y se puede omitir para aplicaciones que no la necesitan.

Microcontroladores basados ​​en Arm® Cortex®-M3

Serie de un solo núcleoVelocidad (MHz)Rendimiento (CoreMark)Destello (kB)RAM (kB)Fuente de alimentación (V)PaquetesConectividadCosa análoga
STM32L1329332 a 5124 a 801,65 a 3,6LQFP48/64/100/144, TBGA64, UFBGA100/132 UFQFPN48, WLCSP63/64/104USART, SPI, I2C, USB
STM32F124 a 7211716 a 10244 a 962 a 3.6LFBGA100/144, LQFP48/64/100/144, UFBGA100, TFBGA64, UFQFPN48, VFQFPN36, WLCSP64USART, SPI, I2C, PUEDE, USB
STM32F2120398128 a 102464 a 1281,8 a 3,6LQFP64/100/144/176, BGA176, WLCSP66USART, SPI, I2C, PUEDE, USB

Arm® Cortex®-M4 en pocas palabras

El núcleo del procesador Arm® Cortex®-M4 de 32 bits es el primer núcleo de la línea Cortex-M que cuenta con bloques de IP de procesamiento de señal digital (DSP) dedicados , incluida una unidad de punto flotante (FPU) opcional. Aborda aplicaciones de control de señales digitales que requieren capacidades de procesamiento de señales y control eficientes y fáciles de usar, como IoT, control de motores, administración de energía, audio integrado, automatización industrial y del hogar, aplicaciones de salud y bienestar.

Al igual que el núcleo Cortex-M3, el núcleo Cortex-M4 alcanza un rendimiento de subprocesos de 1,25 DMIPS/MHz y 3,42 CoreMark/MHz .

Características clave del núcleo Arm® Cortex®-M4

  • Arquitectura Armv7E-M
  • Interfaz de bus 3x interfaz AMBA AHB-lite (arquitectura de bus de Harvard) Interfaz AMBA ATB para componentes de depuración de CoreSight
  • Compatibilidad con instrucciones de subconjunto Thumb/Thumb-2
  • tubería de 3 etapas
  • Extensiones DSP: MAC de 16/32 bits de ciclo único, MAC dual de 16 bits de ciclo único, aritmética SIMD de 8/16 bits, División de hardware (2-12 ciclos)
  • Unidad de punto flotante (FPU) de precisión simple opcional, compatible con IEEE 754
  • 8 regiones MPU opcionales con subregiones y región de fondo
  • Instrucciones de procesamiento de campo de bits integradas y bandas de bits a nivel de bus
  • Interrupción no enmascarable y de 1 a 240 interrupciones físicas con 8 a 256 niveles de prioridad
  • Controlador de interrupción de reactivación
  • Instrucciones WFI y WFE integradas y capacidad Sleep-On-Exit, señales Sleep & Deep Sleep, modo de retención opcional con Arm Power Management Kit
  • Puertos opcionales JTAG y Serial Wire Debug. Hasta 8 puntos de interrupción y 4 puntos de vigilancia
  • Rastreo de instrucciones (ETM), rastreo de datos (DWT) y rastreo de instrumentación (ITM) opcionales

corteza del brazo m4

Diagrama de bloques de Arm Cortex-M4

Ventajas clave de los microcontroladores Arm® Cortex®-M4

Arquitectura Armv7E-M

Los microcontroladores basados ​​en el núcleo Cortex-M4 se benefician de la arquitectura Armv7E-M. La arquitectura Armv7E-M se basa en la arquitectura Armv7-M del núcleo Cortex-M3 y ofrece extensiones DSP adicionales , como:

  • Procesamiento de datos múltiples de instrucción única (SIMD)
  • instrucciones aritméticas de saturación
  • una amplia gama de instrucciones MAC que pueden ejecutarse en ciclos individuales
  • y una FPU opcional, que admite operaciones de punto flotante de precisión simple.

Esta arquitectura se adapta perfectamente a las aplicaciones de control en tiempo real que requieren operaciones altamente deterministas con ejecución de conteo de ciclos bajo, latencia de interrupción mínima, una canalización corta y la posibilidad de realizar operaciones sin caché.

Procesamiento de señales digitales

Los microcontroladores basados ​​en Cortex-M4 se basan en sus aceleradores de hardware DSP avanzados integrados para procesar señales mediante cálculos matemáticos . El acelerador de hardware DSP puede procesar cualquier señal analógica, como la señal de salida de un micrófono, la retroalimentación de un sensor integrado en un sistema de control de motores o las salidas de aplicaciones de fusión de sensores.

Gracias al procesamiento de señales digitales, se requieren menos ciclos para ejecutar algoritmos de bucle de control , lo que contribuye al rendimiento y la eficiencia energética de la aplicación. De hecho, cuando los algoritmos se procesan con formatos de datos Q1.15 o Float32, las MCU que se ejecutan en un Cortex-M4 ofrecen un rendimiento mucho mayor que las MCU basadas en Cortex-M3. Para el formato Q1.15, la mejora se debe principalmente a la disponibilidad de instrucciones SIMD , lo que permite que Cortex-M4 divida la cantidad de ciclos requeridos por aproximadamente dos. Para el formato de datos Float32, el acelerador de unidades de coma flotante aumenta el rendimiento de los MCU Cortex-M4 en un orden de magnitud, en comparación con el de los MCU Cortex-M3 .

Los MCU Cortex-M4 con DSP a veces son comercializados por fabricantes de MCU alternativos como MCU Cortex-M4F . Todos los MCU STM32 Cortex-M4 incorporan la opción DSP del núcleo Cortex-M4, y todos se denominan MCU Cortex-M4 .

Escalabilidad y eficiencia energética

Los microcontroladores Arm Cortex-M4 son compatibles con el estándar de interfaz de software de microcontrolador Cortex (CMSIS), lo que permite a los desarrolladores transferir su código hacia o desde diferentes microcontroladores para proyectos futuros. Esta interfaz también facilita la integración de software de terceros, lo que ayuda a reducir el tiempo de comercialización .

La flexibilidad y la escalabilidad de la arquitectura de Cortex-M4 permiten a los diseñadores ejecutar la mayoría de los algoritmos de aprendizaje automático recientes .

También es extremadamente eficiente desde el punto de vista energético . Por lo tanto, los microcontroladores Cortex-M4 son excelentes opciones para los controladores perimetrales de IoT o los nodos de sensores que funcionan con baterías, así como para los dispositivos portátiles de consumo.

El núcleo Cortex-M4 está integrado principalmente en MCU de un solo núcleo. Sin embargo, una nueva generación de microcontroladores y microprocesadores multinúcleo empuja los límites de la integración del sistema y la optimización del rendimiento, implementando casos de uso de partición de dos tareas :

  • El Cortex-M4 se puede utilizar como el núcleo de control principal , asociado con el núcleo Cortex-M0+ de mayor eficiencia energética, que puede ejecutar protocolos de radio de manera más eficiente.
  • El núcleo Cortex-M4 se puede utilizar como núcleo complementario de uso general y en tiempo real para la potencia informática de los núcleos Cortex-M7 o -A7 que procesan gráficos avanzados, algoritmos complejos de procesamiento de señales digitales o ejecutan el código abierto. Sistema operativo Linux y bibliotecas.

Microcontroladores basados ​​en Arm Cortex-M4

STMicroelectronics combina el núcleo Arm Cortex-M4 con su exclusiva propiedad intelectual de silicio de bajo consumo, tecnología de memoria integrada no volátil, aceleradores de hardware ( Cordic para cálculo trigonométrico e hiperbólico y FMAC para filtrado), arquitecturas de alto rendimiento y conectividad inalámbrica experiencia para ofrecer los MCU STM32 Arm Cortex-M4 como una solución a los muchos desafíos técnicos y comerciales que los ingenieros deben resolver.

Los microcontroladores STM32 Cortex-M4 están completamente integrados en el entorno de desarrollo STM32Cube y aprovechan las herramientas y soluciones que ofrece la extensa red de socios de ST.

Serie de microcontroladores Arm M4 de un solo núcleo

SerieVelocidad (MHz)Rendimiento (CoreMark)Destello (kB)RAM (kB)Fuente de alimentación (V)PaquetesConectividadCosa análoga
STM32F37224516 a 51216 a 801,8 a 3,6LQFP48/64/100, UFBGA100, UFQFPN32, WLCSP49/66/100USART, SPI, I2C, I2S, PUEDE, USB
STM32L48027364 a 102440 a 3201,7 a 3,6LQFP32/48/64/100/144, UFBGA64/100/132, UFQFPN32/48, WLCSP36/49/64/72/100USART, SPI, I2C, PUEDE, USB, chrom-ART
STM32L4+120409512 a 2048320 a 6401,7 a 3,6LQFP48/64/100/144, UFBGA132/169, UFQFPN48, WLCSP100USART, SPI, I2C, PUEDE, USB, TFT, MIPI DSI, Chrom-ART
STM32G417055032 a 512118 a 1281,7 a 3,6LQFP32/48/64/80/100/128, UFBGA64/100/121, UFQFPN32/48, WLCSP48/64/81USART, SPI, I2C, PUEDE, USBAnalógico rico
STM32F484 a 180hasta 61364 a 204832 a 3841,7 a 3,6LQFP48/64/100/144/176/208, BGA100/144/176/216, UFQFPN48, WLCSP36/49/81/90/143/168USART, SPI, I2C, CAN, Ethernet, USB, TFT, MIPI DSI, Chrom-ART

Serie de doble núcleo (inalámbrico) de microcontroladores Arm M4

Serie
(inalámbrica)
Velocidad de la corteza M4 (MHz)Procesador 2Destello (kB)RAM (kB)Fuente de alimentación (V)PaquetesConectividadConectividad inalámbrica
STM32WL548[email protected]64 a 25620 a 641,8 a 3,6UFBGA73, UFQFPN48USART, SPI, I2C150 a 960 MHz, LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK
STM32WB64[email protected]256 a 1024128 a 2561,71 a 3,6UFBGA129, UFQFPN48, VFQFPN68, WLCSP100USART, SPI, I2C, USB2,4 GHz, 802.15.4, BLE5.0, hilo/hilo abierto, Zigbee3.0

Serie de doble núcleo (alto rendimiento) de microcontroladores Arm M4

Serie
(Alto Rendimiento)
Velocidad de la corteza M4 (MHz)Procesador 2Destello (kB)RAM (kB)Fuente de alimentación (V)PaquetesConectividadCosa análoga
STM32H7240[email protected]
+L1
1024 a 204810241,62 a 3,6UFBGA129/169, LQFP176/208, TFBGA240, WLCSP156USART, SPI, I2C, USB, TFT-LCD, MIPI-DSIAnalógico avanzado
STM32MP1209Doble [email protected]
+L1+L2
GPU 3D
n / A7081,71 a 3,6LFBGA354/448, TFBGA257/361USART, SPI, I2C, USB HS
GbE
TFT-LCD, MIPI-DSI

Mas información en https://www-st-com

Sensor de consumo con display Nokia 5110


En proyectos antiguos   de un doble voltímetro y amperímetro para una fuente de laboratorio es habitual disponer de una tensión positiva y otra negativa, lo que nos obliga al uso de amplificadores operacionales para adaptar la señal y poder medirla con Arduino. Lo normal para mostrar las tensiones y corrientes es emplear un LCD monocromo de 16 caracteres x 2 filas de texto, que se suele quedar un poco justo para mostrar toda la información.

Pues bien, en el siguiente proyecto vamos a simplificar el circuito de medida del voltímetro y vamos a sustituir el LCD de 16×2 caracteres por un display gráfico Nokia 5110.

En una primera parte vamos a hacer el voltímetro y en un segundo circuito añadiremos el amperímetro.

EL FAMOSO DISPLAY LCD NOKIA 5110

Utilizaremos 5 pines digitales ademas de la retroiluminación, VCC y GND.

LIBRERIAS ARDUINO

Hay varias librerías disponibles para trabajar con LCDs, siendo la mas interesante la Adafruit-PCD8544-Nokia-5110-LCD-library.

Descargue la librería desde aquí, la PCD8544 necesita a su vez la Adafruit-GFX-Library que puede descargar aquí.

Con las libs en local, abre Arduino y añada las librerías, menú Programa/Incluir Libreria/Añadir Libreria Zip…

Una vez añadidas puede ir a Ejemplos/Librerías personalizadas y abrir el ejemplo pcdtest.

ESQUEMA DE CONEXIONES ARDUINO

Podemos conectar de dos formas, por SPI o sin el.

SIN SPI, CONEXIÓN ESTANDAR.

Funcionará en todos los dispositivos aunque el rendimiento no es tan eficiente como por SPI. De cualquier modo para la mayoría de proyectos es suficiente.

pin 3 – Serial clock out (CLK)
pin 4 – Serial data out (DIN)
pin 5 – Data/Command select (D/C)
pin 6 – LCD chip select (CE)
pin 7 – LCD reset (RST)

Código de inicialización:

 Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(3, 4, 5, 6, 7);

CON SPI

Hardware SPI más rápido pero deben usarse ciertos pines por defecto y solo lo soportan algunas placas:
SCK is LCD serial clock (SCLK) – this is pin 13 on Arduino Uno
MOSI is LCD DIN – this is pin 11 on an Arduino Uno
pin 5 – Data/Command select (D/C)
pin 6 – LCD chip select (CS)
pin 7 – LCD reset (RST)

Para Inicializar con SPI:

Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(5, 6, 7);

Respecto al código es la única diferencia, solo afecta a los pines y una vez establecidos el resto del código es común.

EL CÓDIGO, ESCRIBIENDO TEXTO EN EL LCD

El siguiente código muestra un texto simple por el display.

Modifica la inicialización al principio del código según conectes los pines con o sin SPI:

  • Con SPI: Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(5, 6, 7);
  • Sin SPI: Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(3, 4, 5, 6, 7);
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_PCD8544.h>

// *****  Inicialización por SPI, *****
Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(5, 6, 7);
// **** Inicialización sin SPI, pines 3 y 4 ***
//Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(3, 4, 5, 6, 7);

#define ledRETROILUM 12

void InitDisplay(){
  pinMode(ledRETROILUM, OUTPUT);  
  display.begin();
  display.setContrast(50);
  display.display();
  digitalWrite(ledRETROILUM, HIGH); 
}

void testTXT1(){
  display.clearDisplay();   // clears the screen and buffer
  setFont(1, WHITE, BLACK);  
  drawTXT(0,0," altaruru.com ");
  setFont(1,BLACK);
  drawTXT(0,8,"lcd nokia 5110");
  drawTXT(0,16,"-");
  drawTXT(0,24,"-");
  drawTXT(0,32,"-");
  drawTXT(0,40,"(c) 2019-03-20");  
  display.display(); // actualiza/refresca display  
}

void setup()   {
  Serial.begin(9600);
  InitDisplay();  
  testTXT1();
}

void loop() {
}

void setFont(int isize, int Color1){
  setFont(isize, Color1, WHITE);
  
}
void setFont(int isize, int Color1, int Color2){
  display.setTextSize(isize);
  display.setTextColor(Color1, Color2);
  // altura de fuente size 1: 8 pixels
  // 6 lineas
  // 14 letras por linea  
}
void drawTXT(int x, int y, String smsg){
  display.setCursor(x,y);
  display.println(smsg);    
}

La función InitDisplay() incluye el código necesario para inicializar el Display y testTXT1() es un ejemplo que escribe varias palabras.

Funciones principales de Adafruit_PCD8544 display:

  • display.setTextSize(isize) establece tamaño de la fuente.
  • display.setTextColor(letra, fondo) establece color de la fuente y el fondo.
  • display.setCursor(x, y) posiciona el cursor para escribir.
  • display.println(mensaje) escribe el texto donde esta el cursor.
  • display.display() refresca/actualiza pantalla.
  • display.clearDisplay() limpia/borra pantalla

Con fuente de tamaño 1, tenemos capacidad para 6 lineas y hasta 14 caracteres por linea.

La función drawTXT(int x, int y, String smsg) unifica en una sola llamada posicionamiento de cursor y escritura del texto.

FUNCIONES DE DIBUJO

Puedes dibujar figuras geométricas o bitmaps, algunas funciones de dibujo:

  • display.drawLine()
  • display.drawRect()
  • display.drawCircle()
  • display.fillRect()
  • display.drawTriangle()
  • display.fillTriangle()
  • display.drawRoundRect()
  • display.fillRoundRect()
  • display.drawBitmap()

Algunos ejemplos directamente sacados del ejemplo pcdtest que facilita la librería:

void testdrawcircle(void) {
  for (int16_t i=0; i<display.height(); i+=2) {
    display.drawCircle(display.width()/2, display.height()/2, i, BLACK);
    display.display();
  }
}

void testfillrect(void) {
  uint8_t color = 1;
  for (int16_t i=0; i<display.height()/2; i+=3) {
    // alternate colors
    display.fillRect(i, i, display.width()-i*2, display.height()-i*2, color%2);
    display.display();
    color++;
  }
}

void testdrawtriangle(void) {
  for (int16_t i=0; i<min(display.width(),display.height())/2; i+=5) {
    display.drawTriangle(display.width()/2, display.height()/2-i,
                     display.width()/2-i, display.height()/2+i,
                     display.width()/2+i, display.height()/2+i, BLACK);
    display.display();
  }
}

Como hemos visto es relativamente fácil incluir un LCD en vuestros proyectos. Ahora veamos como conectar este display a una fuente variable de alimentación clásica basada en un regulador típico.

1. Voltímetro con Arduino y LCD Nokia 5110

El voltímetro aquí descrito únicamente lo vamos a usar para medir tensiones positivas.

Solo necesitamos un atenuador de señal a la entrada del pin A0 del Arduino.

El funcionamiento del sketch es muy sencillo. Simplemente conectamos el pin A0 al divisor de tensión formado por las resistencias R1 y R2. Debido al valor escogido para R1 y R2, el divisor de tensión funciona como un atenuador x6 de la tensión que queremos medir, y como la máxima tensión en los pines del Arduino es de 5V, significa que la máxima tensión que podemos medir es de 30V. Todo esto, está explicado con más detalle en el Proyecto 28.2.

Bien, al tener una atenuación x6, la variación entre 0 y 5V en el pin A0 corresponde con una tensión entre 0 y 30V en la fuente de alimentación.

En la variable RawVCC almacenamos el valor de analogRead(A0). Con la función map(RawVCC, 0, 1023, 0, 3000); convertimos los 0-1023 valores posibles de RawVCC en 0-3000, que se corresponden con la variación entre 0 y 30V de la fuente. Luego sólo hay que dividir entre 100 para obtener el valor real de tensión en la fuente de alimentación.

Sketch

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This is an example sketch for our Monochrome Nokia 5110 LCD Displays
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These displays use SPI to communicate, 4 or 5 pins are required to
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Written by Limor Fried/Ladyada  for Adafruit Industries.
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// Easy Voltmeter with Arduino & Nokia 5110 LCD Display 
// https://sites.google.com/site/angmuz/
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_PCD8544.h>
// Software SPI (slower updates, more flexible pin options):
// pin 7 - Serial clock out (SCLK)
// pin 6 - Serial data out (DIN)
// pin 5 - Data/Command select (D/C)
// pin 4 - LCD chip select (CS)
// pin 3 - LCD reset (RST)
Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(7, 6, 5, 4, 3);
int RawVCC = 0;
float VCC = 0;
float auxVCC = 0;
void setup()   {
 
  // Iniciamos comunicacion serie 
  Serial.begin(9600);
 
  // Iniciamos comunicacion con la pantalla
  display.begin();
 
  // Establecemos el contraste
  display.setContrast(50);
  // Mostramos la pantalla de inicio durante 2 segundos
  //display.display(); 
  delay(2000);
  display.clearDisplay();   
}
void loop()
{
 
  RawVCC = analogRead(A0);
  auxVCC = map(RawVCC, 0, 1023, 0, 3000);
  VCC = (auxVCC / 100.0);
 
  // text display tests
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(0,0);
  display.print("V=");
  display.println(VCC,1);
 
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0,20);
  display.println("Arduino");
  display.print("Easy Voltmeter");
  display.println("[email protected]");
  display.display();
  delay(100);  
 
}

2. Voltímetro y Amperímetro con Arduino y LCD Nokia 5110

El sensor de corriente ACS712 es una solución económica para medir corriente, internamente trabaja con un sensor de efecto Hall que detecta el campo magnético que se produce por inducción de la corriente que circula por la línea que se está midiendo. EL  sensor nos entrega una salida de voltaje proporcional a la corriente, dependiendo la aplicación podemos usar el ACS712-05A, ACS712-20A o el ACS712-30A, para rangos de 5, 20 o 30 amperios respectivamente

El ACS712 podemos encontrarlo en módulos, los cuales nos facilitan sus conexión, traen una bornera para conectar la línea que queremos medir y 3 pines, dos para conectar la alimentación y un pin para la salida analógica.

Para medir la corriente vamos a usar un sensor ACS712. Se conecta como en el esquema, se alimenta entre +5V y GND y la salida la llevamos al pin A3.

Partiendo del código del voltímetro, añadimos las líneas correspondientes al amperímetro.

También la parte correspondiente al cálculo del offset, ya estos módulos tienen un error apreciable. Así conseguimos afinar bastante la medida.

Sketch

// Voltímetro y Amperímetro con Nokia 5110 LCD Display
// https://sites.google.com/site/angmuz/
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Written by Limor Fried/Ladyada  for Adafruit Industries.
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#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_PCD8544.h>
// Software SPI (slower updates, more flexible pin options):
// pin 7 - Serial clock out (SCLK)
// pin 6 - Serial data out (DIN)
// pin 5 - Data/Command select (D/C)
// pin 4 - LCD chip select (CS)
// pin 3 - LCD reset (RST)
Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(7, 6, 5, 4, 3);
// Variables para el voltímetro
int RawVCC = 0;
float VCC = 0;
float auxVCC = 0;
//Variables para el amperímetro
float ICC = 0;
float offset1 = 0;
boolean ofst = 0;
void setup()   {
 
 
  // Iniciamos comunicacion serie 
  Serial.begin(9600);
 
  // Iniciamos comunicacion con la pantalla
  display.begin();
 
  // Establecemos el contraste
  display.setContrast(50);
  // Mostramos la pantalla de inicio durante 2 segundos
  //display.display(); 
  delay(2000);
  display.clearDisplay();   
}
// Función para calcular el offset de la corriente ICC
float offset1Adj()
{
 
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0,0);
  display.println("Calculando");
  display.println("offset");
  display.println("No conectar");
  display.println("ninguna carga");
  display.println("Por favor");
  display.println("espere...");
  display.display();
  delay(2000);  // to allow time for stabilizing offset
  for(int i = 0; i < 1000; i++) {
  offset1 = offset1 + (.0264 * analogRead(A3) -13.51);
  delay(2);
  }
 
  digitalWrite(2, LOW);
  ofst = 1;
  return offset1;
}
void loop()
{
  if (ofst == 0) 
    {
    offset1 = offset1Adj();
    }
 
  float average1 = 0;
  for(int i = 0; i < 1000; i++) {
  average1 = average1 + (.0264 * analogRead(A3) -13.51);
  delay(1);
  }
 
  RawVCC = analogRead(A0);
  auxVCC = map(RawVCC, 0, 1023, 0, 3000);
  VCC = (auxVCC / 100.0);
 
  ICC = (average1 - offset1) ; // offset adjust
 
  // text display tests
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0,0);
  display.print("VCC=");
  display.print(VCC,1);
  display.println("V");
  display.print("ICC=");
  display.print(ICC,0);
  display.println("mA");
  display.print("offset=");
  display.println(offset1,0);
  display.println("");
  display.print("Volt-Amp Meter");
  display.println("[email protected]");
  display.display();
  delay(100); 
 
}

Este seria por tanto el esquema final del montaje:

Links

Adafruit: Nokia 5110 Monochrome LCD