Construcción y diseño de un SQM casero con Arduino (Medidor de Cielo Nocturno)

Tarde o temprano a la mayoría de los astrónomos les entra la curiosidad de saber la calidad de los cielos nocturnos que surcan durante tantas noches a lo largo de los años.

La forma más natural de cuantificar la oscuridad del cielo es la determinar la magnitud límite visible a simple vista (Escala de Bortle). Puede ser entretenido a la par que un reto y un ejercicio para ganar agudeza visual, pero por su gran subjetividad (tiempo de aclimatación del ojo, visión del observador, propia apreciación...) es difícil obtener una serie de datos fiables y uniformes con los que trabajar.

Ahí entra la tecnología, en concreto el famoso SQM (Sky Quality Meter), un aparato (fotómetro) que colecta la luz del cielo y te da un valor de su brillo (magnitudes/arcosegundo^2). 

Personalmente, los precios a los que se comercializan estos productos me parecen excesivos para lo que realmente son, por lo que con un poco de maña y tecnología inversa podemos crear nuestro propio fotómetro. ¡Incluso con el mismo sensor!

Planteamiento

Buscando un poco por Internet, se llega a la conclusión de que el sensor más utilizado a la hora de cuantificar luz recibida (hacer fotometría) es el TSL237, un fotodiodo de silicio que convierte la luz en frecuencia (realmente convierte la corriente eléctrica generada por efecto fotoeléctrico por los fotones al chocar contra el semiconductor en una frecuencia). Bueno, bonito y barato.

También necesitaremos un microchip que interprete los datos y nos los saque por una pantalla.

Lo más sencillo es usar un Arduino nano (más pequeño que el Arduino UNO), con múltiples entradas y salidas y bajo consumo energético, alimentado con una pila de 9V.

Necesitaremos saber algo del lenguaje de programación C++ ya que es el que utiliza Arduino. Es un lenguaje relativamente fácil de aprender, pudiendo desenvolverse relativamente bien cualquier persona con unas cuantas tardes y algún tutorial.

Ya que nos metemos en faena, vamos a personalizar nuestro instrumento, y le añadiremos un módulo  microSD para poder almacenar los datos que tomemos y posteriormente usarlos en tablas de cálculo.

Por último, si queremos que el proyecto sea mínimamente decente tenemos que olvidarnos de las uniones con cables entre nuestros módulos y el Arduino: son difíciles de soldar bien, ocupan mucho espacio, son puntos propensos a roturas y son feos. Por ello, vamos a recurrir a las PCBs o placas impresas como veremos.

Un ejemplo del último proyecto que hice con cables, una idea buena pero una chapuza de realización:

Datalogger cableado = chapuza

Método

Desarrollo y diseño
En primer lugar monté todos los elementos sobre una placa de pruebas (protoboard) para poder hacer diversas configuraciones y ver que todos los elementos funcionases a la perfección.

Montaje sobre la protoboard

Se puede ver que la idea original era la de usar una pantalla de cristal líquido LCD, pero fue rápidamente decartada debido a su gran tamaño y a que daba demasiada luz, por lo que podría interferir en las propias medidas del sensor y molestar la vista de quién lo utilice.
A continuación una muestra de cómo funcionaba y la luz que desprendía:

Sustituí la patallla LCD por un módulo de 4 displays de 7 segmentos de color rojo. Por tanto renuncié a poder escribir mensajes amables en la pantalla y que la interfaz fuese bonita pero gané en sencillez, tamaño  y que la luz de esta nueva pantalla es roja:

Display de 7 segmentos sobre la protoboard

A esto le añadí un pulsador para tomar la medida y un conmutador para elegir entre dos posiciones:
1: tomar la medida y mostrarla por pantalla
2: tomar la medida, mostrarla por pantalla, guardarla en la microSD y dar por pantalla un mensaje de "done".

En el siguiente vídeo la primera posición es la 1 y tras cambiar el conmutador de posición a la 2 vemos que guarda el valor en la SD y nos lo confirma con el mensaje "done":

Ahora bien, el diseño es plenamente funcional, pero hay más cables que en una central eléctrica, por lo que tuve que ponerme con las PCBs

Por último, requería de una lente que colectase la luz sobre el fotodiodo. Lo más fácil de conseguir son las campanas de las linternas de una única bombilla. Estas se pueden comprar por Aliexpress por menos de un euro la unidad.
En esa misma página se puede comprar el filtro IR.

Placas impresas (PCBs)

La idea principal era la de usar cables para unir los componentes y cruzar los dedos para que cupiesen bien en la caja a diseñar, pero pronto dejé esa idea de lado y opté por diseñar una placa impresa desde cero, sin conocimientos previos.
El desarrollo de la misma me llevó en torno a una semana entre aprender a utilizar el programa libre más intuitivo para este fin (Fritzting) y el diseño de la placa.

En primer lugar se recrea en el programa lo que tenemos en nuestra protoboard:

Esquema del proyecto

y automáticamente este nos genera una placa PCB autoruteada, creando los mismos caminos que nosotros hemos hecho en ese esquema pero en una placa impresa de dos caras:

Autoruteado de la PCB

Para una primera aproximación no está mal, pero es aconsejable mover los cables a nuestro menester, reordenarlo y redimensionar la placa hasta que tenga el tamaño que nosotros deseamos.
El programa también cuenta con una herramienta para comprobar que las modificaciones y las rutas que hemos hecho están bien cableadas y no se solapan.

Tras varias pruebas llegué al diseño final de la placa:

PCB con ruteado un poco mejor ordenado

Este proceso hay que hacerlo teniendo en cuenta que el tamaño de la PCB tiene que ser el menor que seamos capaces de diseñar, ya que a mayor tamaño, más dinero cuesta que nos lo fabriquen.

Una vez la tenemos diseñada tenemos que buscar una empresa que nos la imprima. En mi caso elegí JLCPCB, una empresa china que tiene de las mejores relaciones calidad precio. Las diez placas impresas que pedí me costaron en total 2€ (si, 2€, no se me ha olvidado un cero)  y para mi sorpresa tienen un acabado profesional:

Placas impresas

Montaje

Soldadura
Ya solo me quedaba soldar todos los componentes con cuidado en la placa. Algunas de las partes soldadas en las imágenes siguientes sufrieron algún cambio, como la altura del fotodiodo, el interruptor de encendido, que fue cambiado por uno más pequeño y el display que en las imágenes se ve conectado con cables posteriormente fue soldado directamente a la placa.

Ahora había que comprobar que todo siguiese funcionando sin problemas:

Cosa que hacía a la perfección.

Caja impresa en 3D

Ya que dispongo de una impresora 3D (Anet A8) la ultilización de la misma en este proyeto era casi de obligado uso, ya que lo que buscaba desde un comienzo era la completa personalización del instrumento y el menor tamaño posible. La alternativa a usar una impresora 3D era la de comprar una caja para prototipos electrónicos, realizar perforaciones y pegar la placa de alguna manera.

El diseño fue de lo que más tiempo me llevó. Intenté que todo quedase lo más ajustado posible y que entrase como un guante. La poca homogeneidad de la placa (los módulos sobresalen) no ayudó demasiado a confeccionar la carcasa, pero con varios intentos y unos cuantos metros de PLA (plástico que utilizo en la impresora) conseguí la carcasa óptima:

Modelo en 3D de la caja

Montaje

Con todos los ingredientes sobre la mesa, ya solo quedaba terminar la receta. Para cualquiera que haya desarrollado o creado algún prototipo funcional sabrá que es uno de los momentos que más se disfrutan a la par que más tensión entraña por ser la antesala a comprobar si el instrumento funciona adecuadamente.
En este caso una soldadura débilmente hecha me dió un susto amenazando todo el proyecto, pero tras conseguir acotar y solucionar el problema el resultado fue más que satisfactorio.

Interior del instrumento

Resultado

Dos meses y medio más tarde de comenzar el proyecto y casi un año después de concebir la idea puedo felizmente mostrar el Medidor de Cielo Nocturno acabado.
Quedan algunos detalles por mejorar, como hacer la carcasa un poco más bonita y volver a imprimirla con la impresora bien calibrada al igual que diseñar una carátula para la parte frontal.

Resultado final del Medidor de Cielo Nocturno

 Y una muestra de su funcionamiento:

 

Solamente quedaría calibrarlo con una lámpara de referencia o con otro fotómetro que se use de patrón, pero eso lo dejamos para otra entrada en el blog :) .