PROYECTOFINAL_LOZADA - PROTOTIPO

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FRANCISCO LOZADA / Mbed 2 deprecated PROYECTOFINAL_LOZADA

PROTOTIPO

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Proyecto Final SISTEMAS MICROPROCESADOS

Francisco Lozada López

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Guayaquil-Ecuador

flozada@est.ups.edu.ec

1. Tema del Trabajo

Diseño de un sistema prototipo para el monitoreo vibraciones y temperatura para motores AC o DC, mediante uso de placa de desarrollo STM32F401, sensor de Humedad y Temperatura DTH11, acelerómetro y giroscopio MPU9250

2. Docente tutor Ing. Angel Yaguana

3. MARCO TEÓRICO.

El proyecto fue ideado con el propósito de diseñar un sistema prototipo para el sensado de vibraciones y temperatura de motores monofásicos o trifásicos, con la placa STM32F401 como base para la programación y ejecución del código en ella grabado, para cual se realizó una investigación de los sensores existentes en el mercado, encontrando los más sencillos que comúnmente se utilizan en experimentos con módulos Arduino. Entre estos sensores están:

Placa STM32F401
Sensor DHT11, sensor de Temperatura y Humedad
Sensor Acelerómetro MPU9250

Placa STM32F401

Fig. 1. Placa de desarrollo STM32F401

La placa de desarrollo, STM32F4 es un dispositivo pequeño basado en el microcontrolador ARM STMF407, que es un microcontrolador de alto rendimiento. Esta placa permite a los usuarios desarrollar y diseñar aplicaciones. Tiene múltiples módulos dentro de sí mismo que permiten al usuario comunicarse y diseñar la interfaz de diferentes tipos sin depender de ningún tercer dispositivo. La placa tiene todos los periféricos modernos de los módulos del sistema, como DAC, ADC, puerto de audio, UART, etc., lo que lo convierte en uno de los mejores dispositivos de desarrollo. El dispositivo puede ser para el desarrollo de aplicaciones modernas, pero será necesario seguir algunos protocolos para usar el dispositivo, como el compilador, el potencial de voltaje, etc. En este tutorial, analizaremos la distribución de pines, la configuración de pines, la descripción de pines, las características y los ejemplos. Incluye en su estructura:

*3x USARTs running at up to 10.5 Mbit/s,

4x SPI running at up to 42 Mbit/s,
3x I²C,
1x SDIO,
1x USB 2.0 OTG full speed,
2x full duplex I²S up to up to 32-bit/192KHz,
12-bit ADC reaching 2.4 MSPS,
10 timers, 16- and 32-bit, running at up to 84 MHz PINOUT de la tarjeta de desarrollo STM32F401

Fig. 2. PinOut Placa de desarrollo STM32F401

Sensor DHT11, sensor de Temperatura y Humedad

El sensor DHT11 es un sensor conexión es sencilla, pero cabe destacar que se vende en dos encapsulados, uno de tres pines que son GND, Data y Vcc, y otro 4 pines y uno de ellos, sencillamente sobra y no se conecta. Normalmente viene rotulado en el sensor el nombre de cada pin.

Fig. 3. Sensor DTH11

Para la interacción con el sensor DHT11 y la tarjeta STM32F407 , se asignó la entrada digital PD7, donde se recibirá el tren de pulsos que proviene del sensor de temperatura antes mencionado , el sensor tiene internamente señal analógica, que es una variación del voltaje proporcional a la temperatura sensada, esta es pasada a formato digital para ser enviada al micro controlador de Arduino.o en nuestro caso STM32F407. Se trasmite en una trama de 40-bits que corresponden a la información de humedad y temperatura captada por el DHT11. Los primeros dos grupos de 8-bit son para la humedad, es decir, los 16 bits más significativos de esta trama. Luego, los otros 2 grupos de 8-bits restantes para la temperatura.

Fig. 4. Inicialización de comunicación entre placa microcontrolador y Sensor DTH11.

Es decir, tiene dos bytes para humedad y dos bytes para temperatura. Por ejemplo:

0011 0101 0000 0010 0001 1000 0000 0000 0011 1001

En este caso, 0011 0101 0000 0010 es el valor de la humedad, y 0001 1000 0000 0000 para la temperatura. Una primera parte es para la parte entera y la segunda parte es para decimales. En cuanto a 0011 1001, es decir, los últimos 8-bit son de paridad para evitar errores. Para efecto de comparación se utilizara la termocupla del multímetro Fluke 287, y se verificara los valores arrojados por el sensor DHT11 , leidos por la placa STM32F407 mostrados en la plataforma software HERCULES

Fig. 5. Termocoupla del multímetro FLUKE 287

LIBRERIA DHT11 <<https://os.mbed.com/users/flozada/code/DHT11_Temp_Humidity/>>

Sensor Giroscopio, Acelerómetro, Magnetómetro MPU9250

Este módulo está basado en el sensor MPU9250 y contiene todo lo necesario para realizar rastreo de movimiento de 9 ejes (9 DoF). Combina un giroscopio de 3 ejes, un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes en un mismo chip. Integra un DMP (Procesador digital de movimiento) capaz de realizar complejos algoritmos de captura de movimiento de 9 ejes.

mbed Logo

Fig. 6. Sensor Acelerómetro MPU9250

Se comunica con microcontroladores a través de una interfaz I2C y también por SPI, posee una librería muy difundida para su uso inmediato. Este sensor puede entregar 9 grados de libertad e incorpora un regulador de tensión a 3.3V y resistencias pull-up para su uso directo por I2C. Para una captura precisa de movimiento rápido y lento, posee un rango de escala programable de 250/500/1000/2000 grados/ seg para el giroscopio, 2g/4g/8g/16g para el acelerómetro y ±4800µT para el magnetómetro.

Fig. 7. Pines datos y alimentación ,Sensor Acelerómetro MPU6050/ 9250

LIBRERIA MPU9250<<https://os.mbed.com/users/onehorse/code/MPU9250AHRS/>>

ANÁLISIS DE VIBRACIONES

Debido a que las vibraciones son producidas por distintos componentes del motor eléctrico y cada una de éstas vibra a frecuencias características, las frecuencias características de cada componente se pueden utilizar para determinar el fallo en el motor con la ayuda del espectro de frecuencias de las vibraciones. Cada una de estas frecuencias generadas son iguales al número de veces del evento que está teniendo lugar, multiplicada por la velocidad de rotación del rotor. Para dar un buen diagnóstico en el análisis de vibraciones, es muy importante tener un espectro de vibraciones, tomados cuando el motor se encuentre en condiciones normales de funcionamiento, para tenerlo como referencia y compararlos con los análisis futuros, determinando el progreso de las vibraciones. El análisis de vibraciones nos dará la frecuencia y magnitud de las vibraciones, pero para poder determinar la severidad de las vibraciones se utilizan distintos tipos de normas.

ISO 2372 “Vibración mecánica de máquinas con velocidades deOperación entre 10 y 200 revoluciones por segundo”,

Especifica si la magnitud de la vibración se encuentra en un estado aceptable de acuerdo a la potencia de la máquina. Esta norma es aplicable a máquinas rotativas con rotores rígidos y a máquinas rotativas con rotores flexibles y los datos para su aplicación son el nivel global de vibraciones en velocidad-valor eficaz RMS, en un rango de frecuencias entre 10 y 1,000 Hz.

Fig. 8 . ISO 2372

ISO 3945 “Medida y evaluación de la severidad de vibración en grandes máquinas rotativas; velocidades de operación entre 10 y 200 revoluciones por segundo”.

Esta norma permite la severidad de las vibraciones en máquinas grandes para velocidades de operación entre 600 y 1200 RPM. Se aplica a la CLASE III Y IV definidas anteriormente. La tabla VI muestra la severidad de las vibraciones según la norma ISO 3945.