Módulos Xbee Parte 5 - Alvaro Romero Acero

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Grupo de Investigación - Inteligencia Artificial en Educación Módulos Xbee

Parte 5

MÓDULOS XBEEParte 5

Alvaro Romero Acero

[email protected]

Profesor

Jovani A. Jiménez

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de minas

Ingeniería de Control

Medellín

2011




Parte 5

SISTEMA DE CONTROL INALÁMBRICO DE POSICIÓN MOTOR DC

Para la solución del problema propuesto en Módulos Xbee Parte 3, en la cual se tomo como referenciala industria XYZ, destinada a la producción de alimentos enlatados, que está implementando un sistemade comunicación inalámbrica, para controlar un motor DC (control de posición) a una distancia nomenor de 20m, debido a requerimiento de sanidad no se puede cablear el set point (señal de referencia)del sistema de control (PID) que opera sobre el motor, es decir, que se desea obtener un set pointinalámbrico con un voltaje entre (0 - 5)V, por medio de un potenciómetro y con esta señal realizar elsistema de control inalámbrico de posición al motor DC, para visualizar tal esquema se representamediante un diagrama la implementación del sistema completo en la Figura 1 y 2.

ComunicaciónInalámbrica

Figura 1 Diagrama del sistema de control inalámbrico.

Set Point – 16F887 - XbeeXbee - 16F887

Control PID

Motor DC.

Fuente +/-12V




Parte 5

Figura 2 Ilustración del sistema de control inalámbrico.

TRANSMISIÓN (SET POINT – MICROCONTROLADOR 16F887 – MÓDULO XBEE)

En esta parte del proyecto corresponde al recuadro azul de las Figuras 1 y 2, la cual va ser la señal dereferencia (0 - 5)V, para el sistema de control inalámbrico del motor DC, el cual tendrá con fin darle unaposición directamente proporcional al valor del set point, es decir, si se gira cierto grado elpotenciómetro, el motor DC lo hará de igual forma bidireccionalmente, esta señal del potenciómetrollega al microcontrolador 16F887 por el pin 2, en esté se realiza la conversión análoga digital (A/D) de laseñal, a su vez este microcontrolador entregará por el puerto B - 8 bits correspondientes a la conversión(A/D) y por medio una configuración circuital R2R (conversor digital/análogo) se verificará la señal detransmisión. El empaquetamiento de la trama para la comunicación serial por el pin Tx delmicrocontrolador dirigiéndose al pin de entrada del modulo Xbee (configurado como Reuter, enviando lacomunicación en código ASCII), encargado de enviar la señal al otro modulo Xbee (configurado comorouter, al igual que el anterior modulo), este otro modulo está ubicado con la parte del control PID y elmotor DC.

Set Point – 16F887 - Xbee

Motor DC

Control PID

Xbee- 16F887 -PID

Fuente




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RECEPCIÓN (MÓDULO XBEE - MICROCONTROLADOR 16F887 – CONTROL PID – MOTOR DC)

Como se observa en el recuadro de color verde en las Figura 1 y 2, este hace parte de la recepción dela señal enviada por el set point, en este caso el modulo Xbee recibe la señal en código ASCII y la envíapor el pin Rx del microcontrolador 16F887, con el fin de entregar por el porta B la señal en 8 bit, para

que posteriormente tomar esta señal en 8 bit y llevarla a una configuración circuital R2R (D/A), con el finde volver a la señal análoga correspondiente a la señal del Set point, luego esta señal entra al PID(etapa diferencial), a su vez en esta etapa con una señal realimentada del lazo de control (sensor)proveniente de un potenciómetro acoplado al eje del motor DC actuando como sensor, el controlador procesa esta diferencia entre las dos señales (la señal de referencia inalámbrica y la señal del sensor) yactúa ante el motor DC, corrigiendo su posición (ángulo de giro), obteniendo así un sistema de controlPID inalámbrico, que garantice una alternativa de solución al problema anteriormente planteado a laindustria XYZ.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La parte de la alimentación del prototipo se observa con un recuadro negro, importante ya que si no se

tiene en cuenta los rangos de voltaje para la etapa de potencia del motor (+/-12V), controlador (amplificadores operacionales +/-12V), microcontroladores (5V) y módulos Xbee entre (2.8 -3.3)V, paralos Xbee tanto la alimentación como la señal de entrada, ya que el microcontrolador entrega señales de(0 a 5)V y puede quemar el modulo Xbee, también a su vez, alimentar todo con una sola fuente puedeocasionar diferencia de potencial entre las tierras (ruido) y caídas en la potencia, ya que cuenta con unconsumo de led y dispositivos que necesitan una buena relación de potencia, que afectan el buendesempeño del sistema de control y de transmisión inalámbrica, por tanto se deberá contar con por lomenos dos fuentes de voltaje (variables - simétricas) a un 1 Amperio.




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SIMULACIONES

Posteriormente se realizó, previas simulaciones en Proteus y el montaje de la aplicación en la board,para tal fin se lee la comunicación inalámbrica en el PC por medio del software X-CTU (interfaz para laconfiguración de los módulos Xbee), visualizando en pantalla el código ASCII de la comunicacióninalámbrica, que corresponde a 256 valores de los 8 bit que se manejarón para la codificación de laseñal de referencia de (0 a 5)V y la sintonía del controlador PID por medio de Matlab e IDENT paraencontrar la función de trasferencia del motor DC y los parámetros del controlador PID.

Figura 3 Simulación en Matlab e IDENT, función de transferencia y parámetros del controlador.




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ADECUACIÓN DE LA SEÑAL

La señal de voltaje variable entre (0 - 5)V (se observa con los dos led de color amarillo a la entrada delPIC16F887 y a la salida del circuito R2R (figura en la parte superior), utilizado para adecuar la señal de8 bit a señal analógica, es decir un convertidor (D/A), señal de referencia enviada por el potenciómetro yque por medio del PIC16F887 (que migro del PIC16F877), se adecua la señal de (0 a 5)V a 8 bits (se

visualiza con los 8 led que aparecen en la board), obteniendo 256 valores del rango de voltaje, la cualse empaqueta en código ASCII, y se envía al modulo Xbee, este envía la señal al otro módulo (receptor)que está conectado al controlador PID, y el cual adecua la señal de forma inversa al de la transmisión,actuando como un transductor del código ASCII, entregando 8 bits que posteriormente por medio de uncircuito R2R actúa como convertidor D/A , esta señal corresponde a la siguiente relación:

8 LED LÓGICA (0/OFF, 1/ON) número (0 a 256) Voltaje (V) 00000000 0 000110011 51 101100110 102 210011001 153 3

11001000 204 411111111 255 5

En la práctica se observo un error máximo de voltaje de 0.06V, con un circuito R2R (convertidor D/A).




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CONTROL PID

Para la parte del control PID, lo primero que se realizo fue la identificación de la función de transferenciadel motor DC por medio del IDENT de Matlab, la adquisición de datos acoplando un motor de igual

característica al del sistema de control usando uno como generador y otro como motor, la salida del quese coloco como generador es el cual se hallará la unción de transferencia y esta se lleva a unosciloscopio con tarjeta de adquisición de datos que cuenta el laboratorio de electrónica de laUniversidad Nacional de Colombia sede Medellín, obteniendo como entrada un escalón (voltaje deentrada a 12V) y salida el voltaje del generador, luego de tomar los datos correspondientes se adecuanpor medio de Excel para que puedan ser leídos en Matlab y obtener así varios modelo y decidir por elmás acertado al ajuste de la función de transferencia. Posteriormente con esta función de transferencia

de lleva un código en Matlab diseñado para obtener la función de transferencia

, parámetros de diseño e implementación del método dos de Ziegler – Nichols, como semuestra en la grafica el ajuste del control P, PID ajustado 1 y PID ajustado 2.




Parte 5

Figura 4 Modelo de la función de transferencia del motor DC y control P




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Figura 5 Método dos Ziegler – Nichols de control PID, PID ajustado 1, PID ajustado 2

CONFIGURACIÓN MODULO XBEE

Para la configuración de los módulos Xbee, primero debemos instalar el software X-CTU, lo pueden

descargar directamente desde la pagina del fabricante Digi en el siguiente enlace:

http://www.digi.com/support/kbase/kbaseresultdetl.jsp?kb=125 , luego de instalado, para algunos PC se

debe configurar el puerto para comunicación serial, por lo tanto deberán instalar el driver FT232, o

actualizarlo vía internet, esto con el fin de reconocer la tarjeta de conexión USB para configuración de

los módulos Xbee.

http://www.digi.com/support/kbase/kbaseresultdetl.jsp?kb=125






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MICROCONTROLADOR PIC16F887

Continuando en la implementación del software para el microcontrolador (transmisor - receptor),

realiza una estructura de programación para la parte de la trasmisión de la señal Figura 7 , como se

puede apreciar en el diagrama de bloques y posteriormente la parte de la recepción de la señal

Figura 8.

Figura 7 Diagrama de bloques PIC transmisión.




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Figura 8 Diagrama de bloques PIC recepción.




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MATERIALES

Lista de los componentes y dispositivos necesarios para lograr la implementación del proyecto:

2 Módulos Xbee serie 2 (configurados en modo Reuter AT)2 Placa reguladora de voltaje (5 a 3.3)V para los módulos Xbee1 Placa de configuración Xbee puerto USB1 Board1 Potenciómetro de 5K1 Potenciómetro de 100K20 Led’s 3mm (rojos y verdes) 2 Microcontrolador PIC16F8875 LM74116 Resistencias de 330

16 Resistencias de 47012 Resistencias de 1K4 Resistencias de 6804 Resistencias de 2204 Capacitores de 22pF (cerámicos)1 Capacitor de 47uF (electrolítico)1 Capacitor de 22uF (electrolítico)2 Trimmer de1K14 Conectores para tarjeta impresa2 BaquelasCloruro Férrico

Con el apoyo didáctico de un video editado en el enlace http://www.youtube.com/watch?v=i9Jeb5kzYzk como muestra de este proyecto podrá apreciar su funcionamiento y ampliar la información en la página:http://alvarounal.blogspot.com

http://www.youtube.com/watch?v=i9Jeb5kzYzk



http://alvarounal.blogspot.com/







Parte 5

CONCLUSIONES

1. Los módulos Xbee necesitan de una parte lógica, la cual es proporcionada en esta aplicación por el

microcontrolador PIC16F887, al igual que el sistema de control la parte lógica la proporciona el controlPID, el cual es sintonizado por medio del método dos de Ziegler Nichols, obteniendo buenos resultados

con la parte proporcional ya que la función de transferencia del motor es muy cercana a ser de primer

orden.

2. Los módulos Xbee son dispositivos fáciles de implementar compatibles con los microcontroladores,

FPGA y PLC, bajo consumo de energía, cubre distancias de hasta 3.2Km (LOS) y alcanza una rápida

conexión en la red frente a los demás dispositivos, lo cual lo hace eficaz para el sistema de control

implementado.

3. Para lograr una comunicación a una más amplia en los módulos Xbee, se puede implementar un

dispositivo X2 que proporciona le conectividad vía internet, extendiendo la comunicación inalámbrica delsistema de control a un usuario externo.

4. Las pérdidas de la comunicación inalámbrica e interferencias, que afecten el buen funcionamiento,pueden ser minimizadas por medio de la configuración de los módulos, colocando como destino elnúmero de serie del otro módulo Xbee a comunicar y con la sintonía del radio desde 1200 hasta 230400Baudios (representa la cantidad de veces que cambia el estado de una señal en un periodo de tiempo,tanto para señales digitales como para señales analógicas). También tener en cuenta las interrupcionesy retrasos en la programación del microcontrolador.

5. La interface de configuración X-CTU, es muy fácil de utilizar y tiene una opción donde se puede

visualizar la potencia en la comunicación de los módulos Xbee.

6. La simulación de los módulos Xbee, microcontroladores se pueden realizar en Proteus, con datos deentrada reales por el puerto serial y del controlador por medio de Matlab obteniendo la función detrasferencia y la respuesta escalón del sistema.

7. Se obtuvo una mejor precisión cuando los módulos Xbee trasmitían en código ASCII ya que facilitabala lectura en el microcontrolador y se aumento la velocidad a 57600 Baudios, siendo el límiteproporcionado por el PIC16F887.

8. La conversión digital análoga ( 8bit a nivel de voltaje (0-5)V ), se realizo mediante el circuito R2R y

ajuste de ganancia al sumador (LM741), con un error de 0.03V.

9. Esta aplicación se puede extender a un sistema domótico ya que maneja 8 salidas a 5V, las cualestienen 256 combinaciones y que por medio de un relé se pueden encender o apagar en este caso 8electrodomésticos. Por otro lado en la industria, se puede realizar una red sensores para la toma dedatos, a una planta o PLC, a su vez se puede llevar a la robótica e iluminación.




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BIBLIOGRAFÍA

[1] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna. Pearson-Prentice Hall, 2010.

[2] David G. Alciatore, Michael B. Histand Gil. Introducción a la Mecatrónica y los sistemas de edición. McGraw Hill 3ra edición, 2008.

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[4] Aristizábal, D.: “Análisis, Diseño e Implementación de Instrumentos Virtuales como JavaBeans concomunicación RS232 y Tecnologías Anexas”. Universidad Nacional de Colombia 2008.

[5] Guía del usuario XBee, URL: <http://www.olimex.cl/pdf/Wireless/ZigBee/XBee-Guia_Usuario.pdf>

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[7] Aguirre, L.: "Estudio de una red de sensores sin hilos basada en la tecnología Arduino bajoprotocolos de comunicaciones ZigBee," UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA, Barcelona,2009

[8] Digi International, URL: http://www.digi.com/ (última visita: 20/08/11)

[9] IEEE 802.15 Web Site, URL: <http://www.ieee802.org/15>

[10] Arduino, URL: http://www.arduino.cc/es/ (última visita: 20/08/11)

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