Diseño de un sistema modular de presión para el laboratorio de control
La ingeniería electrónica ha contribuido al desarrollo y aplicación de dispositivos para la adquisición de datos por sensores, que han tenido gran impacto en áreas como la Robótica, Mecatrónica, Electromedicina, Industrias energéticas, Industria Militar entre otras. Estos instrumentos se encargan de...
- Autores:
-
Martínez Laguna, Óscar Fernando
Leguizamón Turca, Jonathan David
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2014
- Institución:
- Universidad ECCI
- Repositorio:
- Repositorio Institucional ECCI
- Idioma:
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- Acceso en línea:
- https://repositorio.ecci.edu.co/handle/001/1886
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Sensores
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La ingeniería electrónica ha contribuido al desarrollo y aplicación de dispositivos para la adquisición de datos por sensores, que han tenido gran impacto en áreas como la Robótica, Mecatrónica, Electromedicina, Industrias energéticas, Industria Militar entre otras. Estos instrumentos se encargan de la adquisición de datos (DAQ), que es el proceso de monitorizar desde un PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un dispositivo DAQ consiste de sensores, hardware de medidas y un PC con software programable. Entre los sensores comunes se encuentran los termopar, RTD, termistor para temperatura, foto sensor para luz, micrófono para sonido, transductor piezoeléctrico para fuerza y presión, acelerómetro para aceleración, entre otros. En la industria la automatización de sistemas mediante controladores es algo tan necesario como habitual, lo vemos en algunos ejemplos como: Control de potencia en motores de inducción, control de nivel de agua, caudal y presión de procesos químicos entre otros, es muy amplio el uso de controladores PID y el uso de microcontroladores para el desarrollo de los mismos y de sus aplicaciones implementando lenguaje de programación libre que facilite la implementación y el bajo costo de adquisición de estos dispositivos. |
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Entre los sensores comunes se encuentran los termopar, RTD, termistor para temperatura, foto sensor para luz, micrófono para sonido, transductor piezoeléctrico para fuerza y presión, acelerómetro para aceleración, entre otros. En la industria la automatización de sistemas mediante controladores es algo tan necesario como habitual, lo vemos en algunos ejemplos como: Control de potencia en motores de inducción, control de nivel de agua, caudal y presión de procesos químicos entre otros, es muy amplio el uso de controladores PID y el uso de microcontroladores para el desarrollo de los mismos y de sus aplicaciones implementando lenguaje de programación libre que facilite la implementación y el bajo costo de adquisición de estos dispositivos.1 Introducción 1.1 Definición del problema 1.2 Preguntas de Investigación 1.3 Justificación 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General 1.4.2 Objetivos Específicos 1.5 Beneficios Esperados 1.6 Delimitación y limitaciones de la investigación 2 Fundamentación teórica 2.1 Controlador PID 2.1.1 Acción Proporcional 2.1.2 Acción Integral 2.1.3 Acción Derivativa 2.1.4 Estructura de un controlador PID Digital 2.1.5 Sintonización del Controlador PID 2.1.6 Método Ziegler-Nichols 2.2 PWM 2.2.1 Aplicaciones del PWM 2.3 Conversor Analógico-Digital y Digital- Analógico 2.4 Comunicación serial 2.4.1 Comunicación Asincrónica 2.4.2 Comunicación Sincrónica 2.5 Comunicación Zigbee 2.5.1 Tipos de Dispositivos 2.5.2 Zigbee VS Bluetooth 2.5.3 Ventajas y Desventajas 2.6 El Microcontrolador 2.6.1 Introducción al Microcontrolador 2.6.2 Microcontrolador Microchip 2.6.3 Microchip PIC18F452 2.6.4 Modulo USART: 2.6.5 Modulo MSSP 2.6.6 Comunicación Serial: 2.6.7 Modulación de ancho de pulsos (PWM) 2.7 Presión 2.7.1 Definición Presión 2.7.2 Presión atmosférica 2.7.3 Presión Hidrostática 2.7.4 Presión Hidrodinámica 2.7.5 Presión Ejercida por Los Líquidos 2.7.6 Unidades de Presión y sus Factores de Conversión 2.7.7 El Efecto Venturi 2.8 Adquisición 2.8.1 Sistema de Adquisición de datos 2.8.2 Características del Acondicionamiento de señal 2.8.3 Conceptos necesarios para la Adquisición de señales 3 Fundamentación Técnica 3.1 Proceso de selección del microcontrolador para la tarjeta programable 3.1.1 Encapsulado 3.1.2 Módulo de Conversión Analógico Digital 3.1.3 Módulo de Captura/Comparación/PWM (CCP) 3.1.4 Características del módulo en modo PWM 3.1.5 Módulo de transmisión Serial 3.1.6 Comunicación entre el PIC y el PC 3.2 ¿Qué es un Sensor? 3.2.1 Especificaciones de un Sensor 3.3 Comparación de Sensores 3.4 Sensor de Presión diferencial MPX5100DP 3.4.1 Función de Transferencia 3.5 Consideraciones del Ruido 3.5.1 Efectos de ruido en el sistema del sensor 3.5.2 Técnicas de filtrado y consideraciones 3.5.3 Resolución, sensibilidad y número de bits 3.6 Cables USB y Norma RS-232 3.7 MAX232 3.8 Módulo XBee Explorer Regulado 3.9 XBee Transceiver 4 Antecedentes 5 Metodología de Diseño y Construcción 5.1 Diseño Metodológico 5.2 Construcción del Modelo de Control 5.2.1 Especificaciones de los Elementos Principales 5.2.2 Procedimiento de Construcción del Modelo de Control 5.2.3 Montaje Final Del Prototipo 5.3 MATLAB 5.3.1 Identificación de sistemas 5.4 Adquisición de datos para Identificación del Sistema 5.4.1 Resultados de la adquisición de datos 5.4.2 Diseño del Controlador 5.4.3 Simulación en Simulink 5.5 Diseño de Interfaces Gráficas 5.5.1 Introducción a la GUIDE 5.5.2 Propiedades de los componentes 5.5.3 Funcionamiento de una aplicación GUI 5.6 Diseño electrónico del hardware 5.6.1 Especificaciones Generales 5.6.2 Diseño del Esquemático y el PCB mediante Kicad 5.7 Configuración módulo Xbee 5.7.1 Configuración del Nodo de Recepción 5.7.2 Configuración del Nodo Sensor 6 Experimentación y Resultados 6.1 Acondicionamiento de Señales 6.1.1 Acondicionamiento de señales del sensor al conversor A/D 6.1.2 Filtración de señales del ruido generado por la bomba 6.2 Pruebas preliminares para la implementación del controlador 6.2 Medición de la presión con voltaje de entrada ascendente-descendente 6.3 Medición de voltaje del sensor MPX5100DP 6.4 Medición de valores con el set point 6.5 Resultados de la adquisición 6.6 Resultados del controlador 6.7 Resultado final del sistema de control Conclusiones Trabajos a Futuro Referencias ANEXO A REGISTRO DE CONTROL (ADCON0) REGISTRO DE CONTROL (ADCON1) Calculo de tiempo de adquisición del conversor A/D Anexo B Circuitos Esquemáticos de Tarjeta Sensor y potencia Diseño Esquemático de la Tarjeta de Control Diseños de placas de circuito impreso Anexo C Controlador por software y modulo serial Anexo D Lista de componentes y relación de precios del proyectoPregradoIngeniero en ElectrónicaIngeniería Electrónica139 p.application/pdfspaUniversidad ECCIColombiaFacultad de IngenieríasDerechos Reservados - Universidad ECCI, 2014info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño de un sistema modular de presión para el laboratorio de controlTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/redcol/resource_type/TPhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85http://purl.org/coar/version/c_dc82b40f9837b551A. J. Bouwens, Digital Instrumentation, (Ed, McGraw-Hill, USA), cap. 3 y 7 (1984).E. Aldrete-Vidrio, F. Sandoval-Ibarra, y Juan Santana, Modelo Eléctrico Equivalente para Sensores de Presión de Efecto Piezorresistivo, Memorias CONCI’2000, ITP Puebla, pp: 15-19, mayo 2000.M. Bañuelos S., J. Castillo H., G. Rayo L. S. Quintana T., R. Damián Z., J. Pérez S. Controlador PID de temperatura de tipo didáctico” Congreso Nacional de Instrumentación, UNAM México, D.F (2010)MOTOROLA, Inc., Semiconductor Technical Data, Integrated Silicon Pressure Sensor On- Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated, Rev 6 (1998).C. Winkler & J. Baum, MOTOROLA, Inc., Semiconductor Application Note, Barometric Pressure Measurement Using Semiconductor Pressure Sensors, Rev 1, (1997).MOTOROLA, Inc., Semiconductor Technical Data, Integrated Silicon Pressure Sensor On- Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated, Rev 6 (1998).A. Reodique and Warren Schultz, MOTOROLA, Inc., Semiconductor Application Note, “Noise Considerations for Integrated Pressure Sensors, Rev 1, (1998).W. Stanlay & R. F. M. Smith, Guía para Mediciones Electrónicas y Practicas de Laboratorio, (Ed. Prentice Hall Hispanoamericana, México), (1992)http://www.mot-sps.com/models/bin/sensor2.htmlA. Rubaai, M. Castro-Sitiriche y A. Ofoli, «DSP-Based Laboratory Implementation of Hybrid Fuzzy-PID Controller Using Genetic Optimization for High-Performance Motor Drives,» Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 44, nº 6, pp. 1977-1986, 2008.U. Umirov, S.-H. Jeong y J.-I. Park, «Applicability of ZigBee for real-time networked motor control systems,» de Control, Automation and Systems, 2008. ICCAS 2008. International Conference on, 2008.Z. Yang, L. Wu y X. Dong, «Control System Design for Contant-pressure Water Supply,» de Multimedia and Information Technology (MMIT), 2010 Second International Conference on, 2010.C.-s. Zhang y J.-x. Ye, «Controller Design for Constant Water Pressure,» de Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA), 2010 International Conference on, 2010.S. Mehta, J. Katrodiya y B. Mankad, «Simulation, design and practical implementation of IMC tuned digital PID controller for liquid level control system,» de Engineering (NUiCONE), 2011 Nirma University International Conference on, 2011.B. Chang y X. Zhang, «Design of indoor temperature and humidity monitoring system based on CC2430 and fuzzy-PID,» de Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC), 2011, 2011.B. Chang y X. Zhang, «Design of indoor temperature and humidity monitoring system based on CC2430 and fuzzy-PID,» de Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC), 2011, 2011.R. Chen, H. Zhangxiang, Q. Jieting, H. Lanfang y C. Zixing, «Distributed data acquisition unit based on GPS and ZigBee for electromagnetic exploration,» de Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2010 IEEE, 2010.C. Gohiya, S. Sadistap, S. Akbar y B. Botre, «Design and development of digital PID controller for DC motor drive system using embedded platform for mobile robot,» de Advance Computing Conference (IACC), 2013 IEEE 3rd International, 2013.Valdés Rodriguez, Durán Gómez, « Sistema de control didactico con graficación en tiempo real, » Congreso Interuniversitario de electrónica e intumentación, Morelia Mexico (1996)Fu Jing-qi, Xu Cai-Xiang, Kan Bao-dong, Wang Hai-Kuan, «Desing and Simulation of Control Algorithms for WINCS, » de Electrical Engineering and Automation Shanghai University, 2009 IEEE, 2009.DispositivosSensoresAdquisición de datosDevicesSensorsData acquisitionORIGINALTrabajo de grado.pdfTrabajo de grado.pdfapplication/pdf4925177https://repositorio.ecci.edu.co/bitstream/001/1886/1/Trabajo%20de%20grado.pdf856fe52cc238678ac00fddccf8fe4f99MD51Cesión de derechos y Acta de grado.pdfCesión de derechos y Acta de 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