Aplicación Práctica / Practical Issues
Recibido: 16-04-2023, Aprobado tras revisión: 14-06-2023
Forma sugerida de citación: Jiménez, D.; Rea, J.; Muñoz. P.; Vizuete, G.; Latacunga, L.; Iza, C. (2023). “Diseño y Construcción
de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar. Revista Técnica “energía”. No. 20, Issue I, Pp. 82-92
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v20.n1.2023.573
© 2023 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Design and Construction of a Home Power Energy Meter
Diseño y Construcción de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar
D.L. Jiménez1 J.A. Rea1 P.R. Muñoz2
G.E. Vizuete2 L.J. Latacunga1 C.A. Iza1
1 Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas, Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
E-mail: diego.jimenez@utc.edu.ec; jhoao.rea1660@utc.edu.ec; leonel.latacunga2213@utc.edu.ec;
ciro.iza2662@utc.edu.ec
2 Departamento de Ciencias Exactas, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Latacunga, Ecuador
E-mail: prmunoz1@espe.edu.ec; gevizuete@espe.edu.ec
Abstract
The present practical implementation work shows
the design and construction of a home power energy
meter that allows the real-time visualization of
various variables such as grid voltage, electric
current, average power, energy consumed by the
household in kWh, and associated monthly billing
cost. The prototype design is divided into three
stages: the first one deals with the device's charging
and power supply system, the second stage
demonstrates the acquisition and conditioning
system of the input variables, and the third stage is
related to the Arduino Mega 2560 microcontroller,
responsible for the processing, logging, and storage
of information. The construction of the prototype is
carried out in several phases: first, the practical
design is implemented in the Proteus 8 Professional
software, then it is implemented on the breadboard,
and later mounted on the PCB board. Finally, these
modules are enclosed in an IP-65 plastic case, which
features a front-facing LCD screen to display the
output variables of the finished device. The
prototype functionality is validated through
comparison with several practical application tests,
comparing it to a conventional energy meter in a real
case study. Ultimately, the prototype proves to be
ideal for residential energy measurement systems as
it can be tailored to the needs of consumer.
Resumen
El presente trabajo de implementación práctica
muestra el diseño y la construcción de un prototipo
de medidor de energía eléctrica domiciliar en el cual
se puede visualizar las distintas variables en tiempo
real como la tensión de la red, la corriente eléctrica,
la potencia promedio, la energía consumida por la
vivienda en kWh y el costo asociado de facturación
mensual. El diseño del prototipo está dividido en tres
etapas, la primera tiene que ver con el sistema de
carga y alimentación del dispositivo, la segunda
muestra el sistema de adquisición y
acondicionamiento de las variables de entrada, y la
tercera tiene relación con el microcontrolador
Arduino Mega 2560 encargado de la etapa de
procesamiento, registro y almacenamiento de la
información. La construcción del prototipo se la
realiza en varias fases, en primer lugar el diseño
práctico en el software Proteus 8 Professional para
luego implementarlo en el protoboard y más
adelante montarlo en la placa PCB, finalmente se
acoplan estos módulos en una caja plástica con IP-65
la cual muestra en su vista frontal la pantalla de
cristal líquido acoplada para mostrar las variables
de salida del dispositivo terminado. El
funcionamiento del prototipo está validado mediante
comparación a través de varias pruebas de
aplicación práctica en un caso de estudio real versus
un medidor de energía convencional. Por último el
prototipo resulta idóneo para sistemas de medición
de energía domiciliar ya que se adapta a las
necesidades del consumidor.
Index terms−− Design, Construction, Prototype, and
Home power energy meter.
Palabras clave−− Diseño, Construcción, Prototipo,
Medidor de energía eléctrica domiciliar.
82
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
1. INTRODUCCIÓN
Promover la adecuada medición del consumo de
energía eléctrica surge como un criterio complementario
al uso eficiente de la electricidad en una nación, debido a
que las pérdidas injustificadas de energía suponen altas
pérdidas económicas para los usuarios [1]. Es necesario
crear proyectos relacionados a la implementación de
medidores de energía eléctrica, interactivos y sobre todo
amigables con el consumidor.
El diseño y construcción del sistema de medición de
energía en el mundo ha ido evolucionando con el pasar
de los años. El avance tecnológico ha permitido migrar
de equipos de medición de energía inductiva a equipos de
medición con componentes electrónicos, aunque con
algunas limitaciones como el registrar solamente el
consumo en kWh, lo cual se torna difícil de interpretar
para el consumidor y además no permite la
concientización del uso de la energía eléctrica [2].
El tener acceso a información más amplia del
consumo de energía a través de una medición basada en
el monitoreo permanente, permite mostrar al usuario los
detalles de cantidad, forma de uso y facturación de la
energía eléctrica para llevar una óptima administración
de los recursos y evidenciar las pérdidas del sistema. Esto
permitirá tomar acciones sobre el consumo eléctrico
domiciliar que encaminen hacia la eficiencia energética
[3].
En el presente documento se muestra el diseño y
construcción de un prototipo de medidor de energía capaz
de identificar el consumo de energía eléctrica residencial
de manera eficiente y amigable con el usuario. De modo
que esta tecnología permita una interacción directa con el
consumidor pudiendo observar parámetros como: el nivel
de tensión, la corriente eléctrica, la potencia, la energía
consumida y el costo de facturación.
Finalmente se realiza una validación del prototipo de
medidor de energía eléctrica domiciliar mediante una
comparación con la lectura de un medidor de energía
convencional ubicado por parte de la empresa eléctrica,
con el fin de realizar un análisis entre los datos obtenidos
del prototipo con los resultados del medidor instalado.
2. ESTADO DEL ARTE
Un sistema de medición de energía es aquel que
permite realizar medidas del consumo de energía de un
determinado sistema o servicio eléctrico utilizado en la
industria o a un nivel domiciliario, que permita calcular
el consumo de energía en kWh ya sea de un servicio
eléctrico o de un sistema completo [4].
El medidor de energía eléctrica conocido también
como contador, es un equipo que se emplea para medir la
energía eléctrica suministrada a los clientes. Aplicando
una tarifa establecida por el ente regulador la cual
posibilita a la empresa a realizar una facturación
adecuada de la potencia y energía consumida [5].
Los contadores de energía eléctrica han evolucionado
a partir del medidor electromecánico, el cual es el tipo de
medidor de electricidad más común. El contador
electromecánico mide los flujos de electricidad contando
las revoluciones de un disco de metal eléctricamente
conductor, que gira a una velocidad proporcional a la
potencia que pasa por el medidor [6].
Los medidores electromecánicos han sido adoptados
por la industria eléctrica durante mucho tiempo debido a
su fiabilidad en la mayoría de casos. Sin embargo con el
incremento de requisitos en el control de la demanda
eléctrica, los contadores electrónicos han reemplazado a
los electromecánicos en su totalidad ya que integran
muchas funciones avanzadas y no poseen piezas móviles
[7].
Los medidores electrónicos generalmente se basan en
microcontroladores cada vez más compactos que
permiten a los consumidores y a las empresas de
servicios públicos conocer el estado de su consumo y
producción de electricidad, e incluso controlarlos. Esta
última función ha permitido que los contadores
electrónicos sean denominados inteligentes [8].
Los contadores de electricidad integrados con las
funciones de control inteligente, permiten nivelar cargas
según el precio en tiempo real, además la función
principal de estos contadores es la modularización, es
decir, un medidor inteligente se construye como una
estructura abierta con las funciones principales como
medición y comunicación; y las otras funciones pueden
ser agregadas más tarde mediante la conexión con
módulos adicionales [9].
Los medidores inteligentes de energía, junto con su
infraestructura de comunicación, potencia y control,
constituyen un sistema asociado a redes eléctricas de
interés a nivel mundial. La implementación masiva de
estas tecnologías requiere no solo del manejo conceptual
correspondiente, sino también de la formulación de
políticas y marcos regulatorios, el análisis de los
beneficios que conllevan y las barreras que se presentan
para su uso [10].
Por todo lo anterior, se presentan distintos trabajos
relacionados con la implementación de medidores de
energía eléctrica domiciliar, en [11] se muestra el uso de
un microcontrolador, sensores y una pantalla de cristal
líquido que forman un medidor de energía eléctrica. El
microcontrolador recibe la cantidad de energía
consumida por el usuario, así como también mediciones
de corriente, voltaje y potencia real. En base a estas
mediciones calcula los valores de potencia aparente (S) y
de factor de potencia (fp) que son mostrados en la
pantalla de cristal líquido a petición del usuario final.
En [12] se ha realizado una implementación que tiene
como finalidad el diseño, construcción y funcionamiento
de un medidor de energía prepago el cual está conectado
a la red eléctrica monofásica, con la finalidad de evitar el
hurto de energía y bajar el índice de morosidad de los
83
Jiménez et al. / Diseño y Construcción de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar
usuarios en el servicio eléctrico; ya que el prototipo
diseñado tiene la capacidad de indicar al usuario
mediante la pantalla LCD el consumo que está generando
su domicilio y el saldo que dispone en su medidor para
que así cuando lo requiera pueda realizar su recarga.
Los trabajos antes mencionados son muestra de la
posibilidad de realizar la implementación de un medidor
de energía amigable con el consumidor final. De este
modo nace la iniciativa de diseñar y construir un
prototipo de medidor de energía eléctrica domiciliar con
elementos electrónicos que preste todas las facilidades
para que el usuario pueda interpretar su consumo
eléctrico en tiempo real, y así evitar gastos innecesarios
regulando el uso del consumo eléctrico en el hogar.
3. DISEÑO DEL PROTOTIPO
El diseño del prototipo del medidor de energía
eléctrica se lleva a cabo en tres etapas como se evidencia
en la Fig. 1, la primera etapa se base en el desarrollo del
sistema de carga y alimentación, la segunda etapa se
refiere al sistema de medición y acondicionamiento de las
señales de entrada, y por último la tercera etapa
corresponde a la obtención y almacenamiento de
parámetros.
Figura 1: Etapas del diseño del prototipo de medidor eléctrico
domiciliar
3.1. Sistema de Carga y Alimentación
Figura 2: Diagrama simplificado del sistema de carga y
alimentación
El diagrama de la Fig. 2 muestra el proceso del
sistema de carga y alimentación que es el encargado de
alimentar al sistema de medición y permitir el
acondicionamiento de las señales de entrada, la
alimentación de la red pasa por un transformador
reductor de 120 VAC a 12 VAC, un puente de diodos que
se encarga de la etapa de rectificación a 12VDC y que
además permite la carga de la batería (Generaltech
12VDC).
Luego se establece un relé encargado de seleccionar
el tipo de fuente de alimentación para el sistema de
medición, en el caso de que la red de la vivienda quede
sin energía el relé cambiará a la batería, en ese sentido los
condensadores inyectaran voltaje hasta que el relé de
paso a la batería, en caso contrario la red eléctrica
alimentará el sistema de medición.
Figura 3: Circuito general del sistema de carga y alimentación
En la Fig. 3 se presenta el esquema eléctrico del
sistema de alimentación y carga donde se observa la
etapa de transformación acompañada de un fusible de
protección, la etapa de rectificación, la etapa de carga de
la batería y por último se establece un relé encargado de
ejecutar los cambios del tipo de suministro eléctrico hacia
el sistema de medición mediante una acción de control.
3.2. Sistema de Medición y Acondicionamiento de
Señales
El diagrama del sistema de medición y
acondicionamiento de señales se muestra en la Fig. 4,
donde el proceso del sistema de medición de la energía
eléctrica se realiza a partir de un sensor de corriente tipo
SCT-013 y un sensor de voltaje tipo ZMPT101B, las
señales de entrada poseen un acondicionamiento para
cada sensor especificado más a detalle en los apartados
3.2.1 y 3.2.2 según corresponda. Luego se realiza el
procesamiento de la información en el microcontrolador
Arduino Mega 2560, el almacenamiento de los datos se
realiza en los módulos SD y RTC para finalmente
visualizar el nivel de tensión, la corriente eléctrica, la
potencia, la energía consumida y el costo de facturación
en la pantalla LCD amigable con el consumidor.
Sistema de
Carga y
Alimentación
Sistema de Medición
y Acondicionamiento
de Señales
Obtención y
Almacenamiento
de Parámetros
INICIO
Red de alimentación
120VAC
Transformación 12VAC
/ Rectificación 12VDC
Cargar Batería
“Generaltech 12VDC”
RELE
Suministro
eléctrico<=20VAC
Conexión a la batería Suministro eléctrico
Alimentación a los
componentes del
sistema de medición
FIN
Si No
84
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
Figura 4: Diagrama simplificado del sistema de medición y
acondicionamiento de señales
3.2.1. Medición y acondicionamiento de la señal de
tensión
El proceso de medición de la señal de tensión se hace
mediante el sensor ZMPT101B como se muestra en el
esquema de la Fig. 5. La señal de entrada al sensor es de
120 V y mediante un proceso de acondicionamiento se
obtiene una salida de voltaje de 5 V atenuando la señal
de voltaje sin afectar la fase y su frecuencia. El proceso
de acondicionamiento que realiza el sensor ZMPT101B
permite transformar la escala de amplitud a un valor de
2.5 V, para luego añadir 2.5 V más y lograr un nivel de
tensión estándar de (0 a 5) V que ingresa al
microcontrolador Arduino Mega 2560 como señal de
entrada de tensión.
Figura 5: Acondicionamiento de la señal de tensión [13]
Así mismo la frecuencia de muestreo es un parámetro
importante cuando se trabaja con señales análogas, en ese
sentido la ecuación (1) permite calcular correctamente la
frecuencia necesaria para el ingreso de los datos al
microcontrolador. Debido a que la frecuencia de uso en
Ecuador es de 60 Hz la frecuencia de muestreo adecuada
debería ser al menos el doble de la frecuencia de la red,
es así que en la ecuación (2) se puede identificar su valor,
es decir se debería trabajar con una frecuencia de 120 Hz
como mínimo.
󰇛󰇜 (1)
 (2)
Una vez obtenida la señal muestreada se puede
ocupar la ecuación (3) para el cálculo del valor RMS de
la señal de tensión .

 
(3)
Donde:
Valor de la muestra de voltaje para cada
Número de muestras
3.2.2 Medición y acondicionamiento de la señal de
corriente
El proceso de medición de la señal de corriente se
hace mediante el sensor SCT-013 que posee un rango de
medición de (0 a 10) A, estos sensores son similares a una
pinza amperimétrica y su salida es una señal alterna de
±1 V. El proceso de acondicionamiento se realiza a partir
de un amplificador operacional LM358 que configurado
como seguidor de voltaje entrega una señal de salida
acondicionada como se muestra en el esquema de la Fig.
6.
Figura 6: Acondicionamiento de la señal de corriente [13]
Para la obtención del valor RMS del sensor de
corriente  se utiliza la ecuación (4), a partir de las
mismas características de la ecuación (3) pero aplicada a
la entrada del sensor de corriente tomando en cuenta el
valor de la frecuencia, la forma de onda y la cantidad
correcta del muestreo.

 
(4)
Sensor de
Corriente
“SCT-013”
Sensor de
Voltaje
“ZMPT101B”
Acondicionamiento de
señales de entrada
Visualización de
resultados
“LCD”
Almacenamiento de
datos
“Módulo SD y RTC”
Procesamiento y
cálculo de datos
“Microcontrolador”
85
Jiménez et al. / Diseño y Construcción de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar
Donde:
Valor de la muestra de corriente para cada
Número de muestras
3.3. Obtención y Almacenamiento de Parámetros
La obtención del valor de la potencia promedio se
realiza a partir de la ecuación (5). Esta ecuación es válida
tanto para sistemas que contengan o no armónicos en las
señales de voltaje y corriente [14]. Además es muy
utilizada en sistemas digitales y microcontroladores.
 (5)
Donde:
Valor de la muestra de voltaje para cada
Valor de la muestra de corriente para cada
Numero de muestras.
Si bien es cierto para determinar el factor de potencia
en señales reales se utiliza la ecuación normalizada 
, en el diseño del prototipo se ha utilizado la ecuación
(6), ya que permite identificar el punto de referencia e
inicio de medición es el cruce por cero de la señal
senoidal en una amplitud de 0 a 1023, en Arduino este
valor de tensión es de 2.5 V lo que equivale en decimal a
510, una vez que el sensor llegue a este valor se activa el
punto de partida y permite pasar los siguientes valores
junto con la programación, por tanto se calcula el cruce
por cero de la función senoidal de los sensores de entrada
de voltaje y corriente en el microcontrolador [15].
 󰇛󰇜 (6)
Donde:
 Factor de Potencia.
Frecuencia en Hz.
 Diferencia de tiempo entre dos fases.
A partir de los datos obtenidos de la potencia
promedio se realiza el cálculo del consumo de energía en
kWh del usuario. La energía en kilowatts-hora como se
evidencia en la ecuación (7) es la energía en watt-hora
dividida entre 1000 para obtener su prefijo [16].
󰇛󰇜󰇛󰇜󰇛󰇜
 (7)
Donde:
Potencia promedio en vatios.
Tiempo en horas.
Teniendo en consideración los rubros de la tarifa
emitida por la Agencia de Regulación y Control de la
Electricidad (ARCONEL) en Ecuador y de acuerdo a una
plantilla local facturada por una Empresa Eléctrica
Provincial del país es posible aplicar las ecuaciones antes
mencionadas y obtener el cálculo de la energía
consumida dentro de un período determinado y su costo
final asociado.
En tal virtud la Fig. 7 muestra el proceso llevado a
cabo en el microcontrolador Arduino Mega 2560 para
realizar el cálculo de la planilla de energía eléctrica para
el sector domiciliar en Ecuador. Si se toma como
referencia el caso de estudio utilizado en el presente
artículo podemos citar los datos de un hogar ubicado en
el cantón Saquisilí de la provincia de Cotopaxi, en ese
sentido el abonado por comercialización registra 1.41
USD, su contribución a bomberos es de 2.00 USD y
puede obtener un subsidio cruzado en caso de no haber
excedido el consumo promedio local de 70 kWh-mes de
acuerdo a la lectura de su consumo energético [17].
Figura 7: Diagrama de cálculo de la planilla de energía eléctrica
para el sector domiciliar en Ecuador
Una vez obtenidos todos los parámetros necesarios
dentro del principio de funcionamiento del medidor de
energía eléctrica se procede con su registro y
almacenamiento como se muestra en el diagrama de la
Fig. 8. Donde se respalda la información por medio de un
módulo lector de memoria SD que contiene una memoria
microSD con capacidad de 2GB la cual permite el
almacenamiento y registro de los datos adquiridos con
ayuda de un módulo de reloj de tiempo real (RTC).
Finalmente los parámetros de voltaje , corriente
, potencia promedio , Energía en kWh y costo
mensual en USD se imprimen en la pantalla de cristal
líquido (LCD), cabe recalcar que todos estos datos se
guardan también en la tarjeta de memoria micro SD con
el fin de proporcionar una base de datos fiable para el
monitoreo del registro del consumo que debe controlar el
usuario final.
Cálculo de la Planilla
Potencia;
Consumo_actual;
Consumo_kWh;
Consumo_anterior = Consumo_actual
Energía
>= 70
Precio Final =
Consumo +
Comercialización +
Alumbrado + Bomberos
Precio Final =
Subsidio +
Consumo +
Comercialización +
Alumbrado + Bomberos
FIN
Si
No
86
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
Figura 8: Diagrama de registro y almacenamiento de parámetros
en la tarjeta microSD
4. IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO
La implementación del prototipo de medidor eléctrico
domiciliar está dividida en 3 etapas, la primera se lleva a
cabo en el software Proteus 8 Professional donde se
realiza el diseño electrónico general del prototipo como
se muestra en la Fig. 9 y su etapa de prueba interactiva
como se observa en la Fig. 10. Dentro de este esquema se
considera un sistema de encendido que cuenta con un led
de notificaciones de color rojo que se enciende si el
sistema está alimentado por la batería (Generaltech
12VDC) y se apaga cuando la alimentación es por la red
eléctrica, además se incluye un pulsador de reseteo de la
placa Arduino Mega 2560 en caso de ser necesario.
Figura 9: Diseño electrónico general del prototipo de medidor de
energía eléctrica en el software Proteus 8 Professional
A partir de la adquisición de todos los elementos que
conforman el prototipo de medidor eléctrico se lleva a
cabo la segunda etapa como se muestra en la Fig. 11. En
este caso se procede a armar el circuito de carga y
alimentación de forma física en el protoboard, del mismo
modo en la Fig. 12 se puede identificar el armado del
sistema de medición y acondicionamiento de señales en
el protoboard. Además se puede observar el registro y
almacenamiento de parámetros en el microcontrolador
Arduino Mega 2560 y su visualización en el LCD.
Figura 10: Diseño electrónico interactivo del prototipo de medidor
de energía eléctrica en el software Proteus 8 Professional
Figura 11: Montaje del sistema de carga y alimentación en el
protoboard
Figura 12: Montaje del sistema de medición, acondicionamiento
de señales y control en el protoboard
Una vez concluidas las pruebas preliminares se
procede a continuar con la tercera etapa del prototipo de
medidor de energía eléctrica domiciliar, en la cual se
lleva a cabo el diseño y montaje de los dispositivos y
elementos electrónicos en las placas PCB
correspondientes al sistema de carga y alimentación y al
sistema de medición, acondicionamiento y control según
corresponda, como se muestra en la Fig. 13.
Guardar Datos
Iniciar SD / RTC
SD / RTC = OK
Almacenar y Registrar
FIN
Si
No
1
2
12VDC
TBLOCK-M2 C1
1000uF
VI
1VO 3
GN D
2
U1
7805
C2
1000uF
5V
1
2
RESET
TBLOCK-M2
1
2
SCT013
TBLOCK-M2
3
2
1
8
4
U2:A
LM358N
5V
L
N
ZMPT101B
GR C
VCC 1
OUT 2
GND 3
GND 1 4
U3
ZMPT101B
5V
+ -
D1
LED-RED
VSS
1
SCL
4VDD
2
SDA
3
LCD1
LCD I2C
R1
150
R2
10k
5V
1
2
PULSADOR
TBLOCK-M2
5V
SDA
SCL
SDA
SCL
FUSIBLE
1A
PW M C O M U N IC A TIO N
DIGITAL
AN A LOG IN
AT M E G A 2 5 6 0
16 AU 11 26
TX0
TX3
TX2
TX1
SDA
SCL
RX0
RX3
RX2
RX1
R es et B TN
w w w .T h e E ng i ne e r in g P ro jec ts .c om
ON
ON
ON
Ardu in o M eg a 25 6 0
PD0/SCL/INT0 21
PD1/SDA/INT1 20
PD2/RXD1/INT2 19
PD3/TXD1/INT3 18
PH0/RXD2 17
PH1/TXD2 16
PJ0/RXD3/PCINT9 15
PJ1/TXD3/PCINT10 14
PE0/RXD0/PCINT8 0
PE1/TXD0/PDO 1
PE4/OC3B/INT4 2
PE5/OC3C/INT5 3
PG5/OC0B 4
PE3/OC3A/AIN1 5
PH3/OC4A 6
PH4/OC4B 7
PH5/OC4C 8
PH6/OC2B 9
PB4/OC2A/PCINT4 10
PB5/OC1A/PCINT5 11
PB6/OC1B/PCINT6 12
PB7/OC0A/OC1C/PCINT7 13
AREF
PK7/ADC15/PCINT23
A15 PK6/ADC14/PCINT22
A14 PK5/ADC13/PCINT21
A13 PK4/ADC12/PCINT20
A12 PK3/ADC11/PCINT19
A11 PK2/ADC10/PCINT18
A10 PK1/ADC9/PCINT17
A9 PK0/ADC8/PCINT16
A8
PF7/ADC7/TDI
A7
PF6/ADC6/TDO
A6
PF5/ADC5/TMS
A5
PF4/ADC4/TCK
A4
PF3/ADC3
A3 PF2/ADC2
A2 PF1/ADC1
A1 PF0/ADC0
A0
RESET
VCC
GND
PA 0 /A D0
22 P A 1/ AD 1
23 P A 2/ AD 2
24 P A 3/ AD 3
25 P A 4/ AD 4
26 P A 5/ AD 5
27 P A 6/ AD 6
28 P A 7/ AD 7
29
PC 6 / A1 4
31 P C 5 /A 1 3
32 P C 4 /A 1 2
33 P C 3 /A 11
34 P C 2 /A 1 0
35 P C 1 /A 9
36 P C 0 /A 8
37 P D 7 /T 0
38 P G 2 /A L E
39 P G 1 / RD
40 P G 0 /W R
41 P L 7
42 P L 6
43 P L 5 /O C 5 C
44 P L 4 /O C 5 B
45 P L 3 /O C 5 A
46 P L 2 /T 5
47 P L 1 /I CP 5
48 P L 0 /I CP 4
49 P B 3 /M I S O /P C IN T3
50 P B 2 /M O S I /P C IN T2
51 P B 1 /S C K / P C IN T1
52 P B 0 /S S / P C IN T0
53
PC 7 / A1 5
30
ARD1
ARDUINO MEGA 2560
SD C ard
CS
DI
DO
CLK
SD1
SD
DS1307 RTC Module
www.TheEngineeringProjects.com
SD A
SC L
SO U T
VC C
X1
X2
GN D
RTC1
DS1307
5V
5V
SD A
SC L
1
2
12VDC
TBLOCK-M2 C1
1000uF
VI
1VO 3
GN D
2
U1
7805
C2
1000uF
5V
1
2
RESET
TBLOCK-M2
1
2
SCT013
TBLOCK-M2
3
2
1
8
4
U2:A
LM358N
5V
L
N
ZMPT101B
GR C
VCC 1
OUT 2
GND 3
GND 1 4
U3
ZMPT101B
5V
+ -
D1
LED-RED
VSS
1
SCL
4VDD
2
SDA
3
LCD1
LCD I2C
R1
150
R2
10k
5V
1
2
PULSADOR
TBLOCK-M2
5V
SDA
SCL
SDA
SCL
FUSIBLE
1A
PW M C O M U N I C AT ION
DIGITAL
AN A LOG IN
AT M E G A 2 5 6 0
16 AU 11 26
TX0
TX3
TX2
TX1
SDA
SCL
RX0
RX3
RX2
RX1
R es et B TN
w w w .T h e E ng i ne e r in g P ro jec ts .c om
ON
ON
ON
Ardu in o M eg a 25 6 0
PD0/SCL/INT0 21
PD1/SDA/INT1 20
PD2/RXD1/INT2 19
PD3/TXD1/INT3 18
PH0/RXD2 17
PH1/TXD2 16
PJ0/RXD3/PCINT9 15
PJ1/TXD3/PCINT10 14
PE0/RXD0/PCINT8 0
PE1/TXD0/PDO 1
PE4/OC3B/INT4 2
PE5/OC3C/INT5 3
PG5/OC0B 4
PE3/OC3A/AIN1 5
PH3/OC4A 6
PH4/OC4B 7
PH5/OC4C 8
PH6/OC2B 9
PB4/OC2A/PCINT4 10
PB5/OC1A/PCINT5 11
PB6/OC1B/PCINT6 12
PB7/OC0A/OC1C/PCINT7 13
AREF
PK7/ADC15/PCINT23
A15 PK6/ADC14/PCINT22
A14 PK5/ADC13/PCINT21
A13 PK4/ADC12/PCINT20
A12 PK3/ADC11/PCINT19
A11 PK2/ADC10/PCINT18
A10 PK1/ADC9/PCINT17
A9 PK0/ADC8/PCINT16
A8
PF7/ADC7/TDI
A7
PF6/ADC6/TDO
A6
PF5/ADC5/TMS
A5
PF4/ADC4/TCK
A4
PF3/ADC3
A3 PF2/ADC2
A2 PF1/ADC1
A1 PF0/ADC0
A0
RESET
VCC
GND
PA 0 /A D0
22 P A 1/ AD 1
23 P A 2/ AD 2
24 P A 3/ AD 3
25 P A 4/ AD 4
26 P A 5/ AD 5
27 P A 6/ AD 6
28 P A 7/ AD 7
29
PC 6 / A1 4
31 P C 5 /A 1 3
32 P C 4 /A 1 2
33 P C 3 /A 11
34 P C 2 /A 1 0
35 P C 1 /A 9
36 P C 0 /A 8
37 P D 7 /T 0
38 P G 2 /A L E
39 P G 1 / RD
40 P G 0 /W R
41 P L 7
42 P L 6
43 P L 5 /O C 5 C
44 P L 4 /O C 5 B
45 P L 3 /O C 5 A
46 P L 2 /T 5
47 P L 1 /I CP 5
48 P L 0 /I CP 4
49 P B 3 /M I S O /P C IN T3
50 P B 2 /M O S I /P C IN T2
51 P B 1 /S C K / P C IN T1
52 P B 0 /S S / P C IN T0
53
PC 7 / A1 5
30
ARD1
ARDUINO MEGA 2560
SD C ard
CS
DI
DO
CLK
SD1
SD
DS1307 RTC Module
www.TheEngineeringProjects.com
SD A
SC L
SO U T
VC C
X1
X2
GN D
RTC1
DS1307
5V
5V
SD A
SC L
87
Jiménez et al. / Diseño y Construcción de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar
Finalmente se integran las placas verificadas en una
caja plástica especial de dimensiones 255x200x80 mm
que incluye normas de seguridad internacional como IP-
65 para mantener sus condiciones de uso adecuado salvo
alguna eventualidad ambiental como se evidencia en la
Fig. 14. Al colocar la tapa de la caja del prototipo del
medidor se puede observar la pantalla LCD y el diodo led
de encendido que demuestra el trabajo completamente
finalizado y verificado como se presenta en la Fig. 15.
Figura 13: Montaje del prototipo de medidor de energía eléctrica
completo en la placa PCB
Figura 14: Montaje e implementación final del prototipo de
medidor de energía eléctrica
Figura 15: Vista frontal del prototipo de medidor de energía
eléctrica final
5. APLICACIÓN DEL PROTOTIPO
Una vez construido el prototipo de medidor eléctrico
domiciliar se desarrollan las diferentes pruebas de su
aplicación en un caso de estudio real, en la residencia
objeto de estudio se realizaron mediciones de prueba de
voltaje, corriente y consumo de energía con el prototipo
terminado. Estas medidas fueron comparadas con otras
mediciones realizadas por un multímetro tipo voltímetro
y una pinza amperimétrica, con el fin de comprobar la
exactitud, presión, y los distintos tipos de errores como;
el error absoluto y relativo porcentual, el error absoluto
medio (MAE) y el error porcentual absoluto medio
(MAPE), asimismo es posible identificar el error
cuadrático medio (MSE) entre el prototipo creado y los
dispositivos electrónicos disponibles en el mercado.
Cabe aclarar que para sistemas residenciales los
contadores son referidos de clase 1 y 2 según la
normativa NTE INEN-IEC62053-21, entre los requisitos
generales esta una frecuencia nominal de trabajo de 60
Hz, además deben incluir una pantalla display LCD, el
número de dígitos enteros estará de acuerdo al
requerimiento de las empresas de distribución y se
establece como límite admisible de error porcentual el
5% de los valores nominales [18].
5.1. Pruebas de Voltaje
Las pruebas de voltaje de la red eléctrica se realizaron
mediante la toma de 10 mediciones tanto con el prototipo
de medidor de energía eléctrica como con un multímetro
“DT858L” en función de voltímetro. Este dispositivo
tiene una precisión de medida de ± 0,025% según su hoja
de especificaciones, siendo una precisión adecuada para
ser comparada con los valores que registrara el prototipo
[19]. Las mediciones obtenidas se pueden observar de
forma gráfica en la Fig. 16, identificando que la variación
de las mediciones es mínima se puede afirmar que el
prototipo funciona de forma óptima al compararlo con el
multímetro antes mencionado.
Figura 16: Mediciones de voltaje realizadas por el multímetro tipo
voltímetro y el prototipo de medidor de energía eléctrica
88
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
En la Tabla 1 se recopilan los valores de las 10
mediciones tomadas con el multímetro digital y con el
prototipo de medidor de energía eléctrica domiciliar,
donde se puede identificar el error absoluto y relativo
porcentual cercano a cero, así como el MAE de 0.250,
igualmente se puede destacar el MAPE con un valor del
0,197% al compararlo con una tolerancia de error del 5%.
Además, se puede evidenciar el MSE con un valor de
0.115 que representa el sesgo de los datos en
comparación, lo que permite validar las mediciones del
prototipo de energía eléctrica domiciliar en las pruebas
de voltaje llevadas a cabo en el caso de estudio propuesto.
Tabla 1: Comparación de las mediciones de Voltaje
N°
Multímetro
“DT858L”
(V)
Prototipo
Medidor
Energía
Eléctrica
(V)
Error
Absoluto
(V)
Error
Relativo
(%)
1
127,2
127,4
0,2
0,16
2
126,9
126,6
0,3
0,24
3
127
127,1
0,1
0,08
4
124,9
124,9
0
0
5
127,2
127,7
0,5
0,39
6
126,9
126,7
0,2
0,16
7
124,5
124,5
0
0
8
127,5
127,3
0,2
0,16
9
127,3
128,1
0,8
0,63
10
125,6
125,4
0,2
0,16
Error Absoluto Medio (MAE):
0,250
-
Error Porcentual Absoluto Medio
(MAPE):
-
0,197 %
Error Cuadrático Medio (MSE): 0,115
5.2. Pruebas de Corriente
Las pruebas de corriente al igual que las de voltaje se
realizaron a partir de 10 mediciones con el prototipo de
medidor de energía eléctrica y en este caso con una pinza
amperimétrica “Clamp Multimeter 3266TD”, la cual está
diseñados para soportar hasta 100 A. En el caso de
estudio evaluado los valores de consumo domiciliar no
superan los 40 A como máximo por lo que los
instrumentos de medida están en el rango adecuado.
Además la pinza amperimétrica tiene una precisión de
medida de ± 1.5% según su hoja de especificaciones,
siendo una precisión adecuada para ser comparada con
los valores que registrara el prototipo propuesto [20].
En la Fig. 17 se puede observar la variación de las
mediciones de manera gráfica, donde se puede apreciar
diferencias mínimas entre los dos instrumentos de
medida, por lo que se puede afirmar que el prototipo de
medidor de energía eléctrica funciona de manera óptima
al compararlo con la pinza amperimétrica comercial.
Figura 17: Mediciones de corriente realizadas por la pinza
amperimétrica y el prototipo de medidor de energía eléctrica
La comparación de las mediciones de corriente se
muestra en la Tabla 2, donde se puede apreciar el error
absoluto y relativo porcentual cercano a cero en las
primeras ocho mediciones, las últimas dos mediciones
muestran una variación mayor, asimismo el MAE es del
0.713 y el MAPE tiene un valor del 4,572% que al
compararlo con una tolerancia de error del 5% se
considera aceptable dentro del rango establecido por la
normativa nacional. Igualmente se puede identificar el
MSE con un valor de 2.065 que representa el sesgo de los
datos antes mencionados, lo que permite validar las
mediciones del prototipo de medidor de energía eléctrica
domiciliar en las pruebas de corriente realizadas.
Tabla 2: Comparación de las mediciones de Corriente
N°
“Clamp
Multimeter
3266TD”
(A)
Prototipo
Medidor
Energía
Eléctrica
(A)
Error
Absoluto
(A)
Error
Relativo
(%)
1
0,8
0,81
0,01
1,25
2
1,02
0,99
0,03
2,94
3
2,4
2,32
0,08
3,33
4
2,36
2,26
0,1
4,24
5
3,25
3,22
0,03
0,92
6
3,24
3,19
0,05
1,54
7
7,62
7,84
0,22
2,89
8
7,56
7,76
0,2
2,65
9
24,06
27,27
3,21
13,34
10
25,36
28,56
3,2
12,62
Error Absoluto Medio (MAE):
0,713
-
Error Porcentual Absoluto Medio
(MAPE):
-
4,572 %
Error Cuadrático Medio (MSE): 2,065
89
Jiménez et al. / Diseño y Construcción de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar
5.3. Pruebas de Consumo de Energía
Las pruebas de medición del consumo de energía
eléctrica se hicieron mediante la comparación del
medidor de energía convencional y el prototipo de
medidor de energía eléctrica domiciliar como se muestra
en la Tabla 3.
Las mediciones del consumo de energía se realizaron
durante 15 días desde el 01 de julio hasta el 15 de julio
del año 2021, identificando errores absolutos y relativos
porcentuales cercanos a cero en su mayoría, así como un
MAE de 0.477, igualmente se puede destacar un MAPE
de 1.136% al compararlo con una tolerancia de error del
5% según la normativa dentro de un rango de medición
de 80kWh.
Igualmente se puede evidenciar un MSE de 0.412
que representa el sesgo de los datos en comparación. Lo
que permite validar la funcionalidad del prototipo
implementado y evidenciar su precisión y exactitud en
base a la comparación de los diferentes parámetros de
medida con instrumentos de uso comercial.
Tabla 3: Comparación del consumo de energía entre el medidor
convencional y el prototipo de medidor de energía eléctrica
N°
Energía
(kWh)
Errores
Medidor
Convencional
Prototipo
Medidor
Energía
Eléctrica
Absoluto
(kWh)
Relativo
(%)
1
0
0,000
0
0
2
5
4,954
0,046
0,92
3
9
9,128
0,128
1,42
4
14
13,928
0,072
0,51
5
18
18,234
0,234
1,30
6
23
22,867
0,133
0,58
7
28
27,811
0,189
0,67
8
32
32,268
0,268
0,84
9
38
38,495
0,495
1,30
10
44
44,616
0,616
1,40
11
49
49,514
0,514
1,05
12
55
55,860
0,860
1,56
13
60
61,048
1,048
1,75
14
66
67,266
1,266
1,92
15
71
72,285
1,285
1,81
Error Absoluto Medio (MAE):
0,477
-
Error Porcentual Absoluto Medio
(MAPE):
-
1,136 %
Error Cuadrático Medio (MSE): 0,412
5.4. Pruebas de Cálculo Monetario
La prueba de cálculo monetario se realiza a partir de
la comparación económica que generaría el medidor
convencional al realizar un cálculo manual versus el
cálculo monetario que registra el prototipo de medidor de
energía eléctrica domiciliar y que se registra en el LCD,
los cálculos realizados se generan a partir de las 15
mediciones diarias como se muestra en la Tabla 4. En ese
sentido al realizar la sumatoria de los 15 días del mes de
julio del año 2021 de forma manual se obtendría un costo
por facturación de 6.60 USD, mientras que mediante el
prototipo de medidor de energía eléctrica domiciliar el
costo final sería de 6.50 USD destinado al consumidor.
Lo que representaría en este pequeño ejemplo un ahorro
de 0.10 USD al utilizar el prototipo propuesto en el
presente trabajo de aplicación práctica.
Tabla 4: Comparación del cálculo monetario entre el medidor
convencional y el prototipo de medidor de energía eléctrica
N°
Energía
(kWh)
Cálculo Monetario
(USD)
Medidor
Convencional
Prototipo
Medidor
Energía
Eléctrica
Manual
Prototipo
Medidor
Energía
Eléctrica
1
0
0,000
0
0
2
5
4,954
0,46
0,45
3
9
9,128
0,36
0,38
4
14
13,928
0,46
0,44
5
18
18,234
0,36
0,39
6
23
22,867
0,46
0,42
7
28
27,811
0,46
0,45
8
32
32,268
0,36
0,41
9
38
38,495
0,55
0,57
10
44
44,616
0,55
0,56
11
49
49,514
0,46
0,45
12
55
55,860
0,55
0,58
13
60
61,048
0,46
0,47
14
66
67,266
0,55
0,57
15
71
72,285
0,46
0,46
6. CONCLUSIONES
El diseño y la implementación del prototipo de
medidor de energía eléctrica domiciliar es factible debido
al análisis comparativo que se realizó durante las
diferentes pruebas de su aplicación práctica en un caso de
estudio real, permitiendo la adquisición de datos con un
error porcentual absoluto medio (MAPE) menor al 5% al
compararlo con un voltímetro, amperímetro y contador
comercial, por lo que se puede concluir que el prototipo
es óptimo para realizar mediciones de las distintas
variables de energía eléctrica respecto a la normativa
nacional.
El prototipo de medidor de energía eléctrica
domiciliar propuesto es considerado un contador
electrónico digital ya que permite visualizar la
adquisición de datos en tiempo real, como el nivel de
tensión, la corriente eléctrica, el consumo de energía en
90
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
kWh y el costo de la planilla mensual en USD en una
pantalla de cristal líquido LCD, lo que posibilita al
consumidor a tomar acciones antes de generar gastos
innecesarios que salgan de su presupuesto mensual, así
como identificar fugas de corriente, cortes de energía, y
demás fallas en el servicio eléctrico.
El sistema de medición propuesto es flexible ya que
permite la modificación y adaptación de parámetros
según la necesidad del consumidor, esto con la finalidad
de ajustarse a las necesidades de cada hogar. Además, el
prototipo es amigable con el usuario final y adaptable a
cualquier necesidad con una mínima inversión preliminar
de aproximadamente 200 USD.
Por último, se plantea como trabajos futuros la mejora
continua del prototipo de medidor de energía eléctrica
domiciliar utilizando elementos compactos acorde a las
necesidades del usuario, así también el desarrollo de
contadores electrónicos con criterios inteligentes que
posean la capacidad de acceso remoto por parte del
proveedor de energía para llevar a cabo la conexión y
desconexión del sistema, así como evidenciar las fallas
establecidas en el contador de energía eléctrica.
7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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RECURSO NO APROVECHADO”, 2007. [En
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DT858L - China Multímetro digital,
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3266td-with-hzncv-637249557268602545
(accessed Jun. 06, 2023).
91
Jiménez et al. / Diseño y Construcción de un Medidor de Energía Eléctrica Domiciliar
Diego Jiménez. - Obtuvo el título
de Ingeniero en Electrónica e
Instrumentación en la Universidad
de las Fuerzas Armadas – ESPE,
Ecuador en 2014 y obtuvo el grado
de Magíster en Ciencias de la
Ingeniería mención Eléctrica en la
Universidad de Chile, Santiago de
Chile en 2018. Cuenta con experiencia docente en varias
instituciones de educación superior y experiencia
profesional en el área de automatización, control
industrial e instrumentación en empresas del sector
petrolero. Actualmente es docente a tiempo completo de
la Universidad Técnica de Cotopaxi en el área de
pregrado y posgrado. Su campo de investigación incluye
el análisis de los sistemas de gestión de energía, la
aplicación de la inteligencia computacional al sector
eléctrico y el estudio de las microrredes.
Jhoao Rea. - Nació en Guaranda,
Ecuador en 2001. Obtuvo el título
de Bachiller Técnico – Industrial en
la Unidad Educativa Guaranda.
Actualmente, se encuentra
cursando sus estudios superiores en
la Universidad Técnica de
Cotopaxi, dentro de la carrera de
Ingeniería en Electricidad.
Pablo Muñoz. - Obtuvo el título
de Ingeniero en Electromecánica en
la Universidad de las Fuerzas
Armadas – ESPE, Ecuador en 2016
y obtuvo el grado de Magíster en
Física Aplicada mención Física
computacional en la Universidad
Técnica de Ambato en 2022.
Cuenta con experiencia docente en instituciones de
educación secundaria y superior, experiencia profesional
en el área del control industrial. Actualmente es docente
no titular de la Universidad de las Fuerzas Armadas –
ESPE sede Latacunga en el área de pregrado. Su campo
de investigación incluye la aplicación de la inteligencia
computacional al sector industrial.
Gabriela Vizuete. - Obtuvo el
título de Ingeniera Química en la
Universidad de las Fuerzas
Armadas – ESPE, Ecuador en 2012
y obtuvo el grado de Magíster en
Ingeniería Química: Ingeniería de
Procesos en la Universidad
Complutense de Madrid, España en
2018. Cuenta con experiencia docente en instituciones de
educación superior, además de experiencia profesional
en el área industrial, en control de procesos químicos e
investigación y desarrollo. Actualmente es docente no
titular de la Universidad de Fuerzas Armadas – ESPE
sede Latacunga en el departamento de Ciencias Exactas.
Su campo de investigación incluye el análisis y
tratamiento de aguas residuales de la industria.
Leonel Latacunga. - Recibió el
título de Ingeniero Eléctrico en
Sistemas Eléctricos de Potencia en
la Universidad Técnica de
Cotopaxi, Ecuador en 2021. Sus
campos de estudio están
relacionados con Alto Voltaje,
Energías Renovables, Protecciones
Eléctricas, Sistemas Eléctricos de Potencia y
Distribución. Cuenta con experiencia profesional en el
área de redes de distribución de energía eléctrica en bajo
y medio voltaje, automatización, control industrial y
energías renovables. Actualmente proyectista de planta a
tiempo completo en GEMA Energy Ecuador.
Ciro Iza. - Nació en Saquisilí,
Ecuador en 1996. Obtuvo el título
de Ingeniero Eléctrico en Sistemas
Eléctricos de Potencia en la
Universidad Técnica de Cotopaxi,
Ecuador en 2021. Sus campos de
estudio están relacionados con Alto
Voltaje, Energías Renovables,
Protecciones Eléctricas, Sistemas Eléctricos de Potencia
y Redes de Distribución.
92