UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL VALLE DE TOLUCA
DIRECCIÓN DE CARRERA DE MECATRÓNICA Y SISTEMAS PRODUCTIVOS
EMPRESA:
CONALEP Plantel Toluca
NOMBRE DEL PROYECTO:
“Tarjeta entrenadora de microcontrolador 16F877A”
MEMORIA:
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN MECATRÓNICA
PRESENTA:
Juan Carlos Bernal Calzada
GENERACION
SEPTIEMBRE 2011 - ABRIL 2013
LERMA, ESTADO DE MÉXICO, ABRIL DE 2013
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL VALLE DE TOLUCA
DIRECCIÓN DE CARRERA DE MECATRÓNICA Y SISTEMAS PRODUCTIVOS
EMPRESA:
CONALEP Plantel Toluca
NOMBRE DEL PROYECTO:
“Tarjeta entrenadora de microcontrolador 16F877A”
MEMORIA:
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN MECATRÓNICA
PRESENTA:
INDICE GENERAL CAPITULO 1: IDENTIFICACION DE LA NECESIDAD 5
1.1 Resumen…………………………………………….................... 5
1.2 Introducción……………………………………………………… 6
1.3 Antecedentes de la institución………………......................... 7
1.4Planteamiento de la problemática…………........................... 9
1.5Justificación……………………………………………………… 10
1.6Objetivos generales y específicos…………………………… 11
1.7 Hipótesis………………………………………………………… 12
CAPITULO 2: MARCO TEORICO
2.1 Historia de los Microcontroladores………………………… 13
2.1.1 Microcontrolador……………………………………………… 16
2.2 Los Fabricantes y sus Modelos de Microcontroladores…… 17
2.3 El catálogo actual de Familias de Microcontroladores PIC… 19
2.3.1 Novedades relevantes de los Microcontroladores………… 19
2.4 Microcontroladores PIC………………………………………… 20
2.4.1 ¿Por qué los Microcontroladores PIC de Microchip?......... 20
2.4.2 La influencia de los Microcontroladores en la vida diaria 21
2.5 Modulo PWM del PIC 16F877A……………………………………… 22
2.5.1 Periodo PWM………………………………………………… 22
2.5.2 Configuración del PWM…………………………………… 25
CAPITULO 3: DESARROLLO TEÓRICO DE LA PROPUESTA DE MEJORA
26
3.1.2 Regulador de voltaje 7805………………………………… 27
3.1.3 Resistencia eléctrica……………………………………… 29
3.1.4 LCD 16x2 (display de cristal liquido)…………………… 30
3.1.5 Características principales de los módulos LCD……… 31
3.1.6 interfaz con microcontrolador a 8 bits…………………… 32
3.2 Micro programador usb……………………………………… 33
3.3 pickit2 – microchip…………………………………………… 36
3.3.2 cómo iniciar la lectura o escritura de un micro controlador 37
3.4 Interfaz Bluetooth RN 41-42………………………………… 40
3.4.1 Circuito de Interfaz Bluetooth…………………………….. 41
3.4.2 Arquitectura del Circuito Bluetooth………………………. 42
3.5.1 Detalles de Programación del Circuito Bluetooth……… 44
3.6.1 Dip trace…………………………………………………….. 46
3.7.1 Diseño de la tarjeta………………………………………… 48
3.8.1 Etapa de potencia ………………………………………… 49
3.9.1Elaboracion del PCB…………………………………… 50
3.9.2 Ruteo de las vías………………………………………. 51
3.10.1 Elaboración del circuito impreso…………………… 52
CAPITULO 4: APLICACIÓN Y VALIDACION DE LA PROPUESTA DE MEJOR
55
4.1 Resultados y discusión…………………………………. 55
CAPITULO 5: COSTO BENEFICIO DEL PROYECTO 56
5.1.2 Costo del recurso humano……………………………. 57
5.1.3 Beneficio de innovación………………………………. 57
Conclusiones………………………………………………….. 59
Anexos…………………………………………………………. 60
Bibliografía……………………………………………………… 64
1.1 RESUMEN
El rápido avance de la tecnología en los últimos años ha supuesto una auténtica
revolución en nuestras vidas. En los hogares, nadie se plantea levantarse para
cambiar el canal de la televisión, encender el equipo de música o algún otro
aparato electrónico. El mando a distancia al igual que el teléfono móvil se han
convertido en elementos tan cotidianos que no se les da importancia. La
posibilidad de mantener una conexión permanente a internet por un precio módico
es una realidad ya presente en muchos hogares. Todos estos avances hacen que
cada vez se demanden nuevos dispositivos de control a distancia que puedan ser
activados desde cualquier lugar y que permitan realizar acciones tales como
encender o apagar algún equipo electrónico, o encender y apagar motores
industriales.
Esto que parece tan trivial y sencillo hoy en día, ha sido y es de una dificultad
tecnológica importante. Debemos notar que las primeras aplicaciones de control y
programación aparecen en el ámbito industrial durante hace ya algunas décadas.
Por ejemplo, el control a distancia de las máquinas ha sido una necesidad que ha
ido apareciendo con la evolución de la industria. Una breve reseña desde sus
orígenes nos permitirá tomar conciencia del esfuerzo científico y tecnológico que
ha supuesto llegar al estado actual.
Es por ello que es necesario integrar y desarrollar el interés por el estudio de
nuevas tecnologías a los estudiantes de recientes generaciones. Y para lograr
dicho objetivo se llevara a cabo una tarjeta entrenadora modular basada en
microcontroladores que servirá como trampolín para llevar a cabo una serie de
proyectos comunicados vía RF (radio frecuencia), bluetooth IR (infra rojo), así
como también la integración de sensores analógicos y digitales y todo ello para el
control de motores de C.A (corriente alterna), C.D (corriente directa), servo
motores, motores PAP (paso a paso) entre otros.
5
ABSTRACT
The fast technology advances during the last years has directed our lives in a revolutionary way. At home, nobody gets up to change the TV channel, turn on the CD player or any other white goods. The distance controllers as well as the mobile telephones have become into common devices that have lost their relevance. Nowadays, the possibility of keeping connected to the Internet for a very low price is a reality in many homes. All this technology makes the amount of more distance control devices that can help people to turn on or off any white good or industrial motors even more demanded. This that seems to be so easy and common today has been of a really high technological difficulty. We should take into account that the first control applications and program appeared in the industry area during the last decades. As an example, the distance control of machines has been a necessity that has been increasing with the industry evolution. A brief review since its origins will allow us to think deeply in the scientist and technological effort that has lead to the present. That is the reason why it is necessary to integrate and develop the interest of the technology studies in the students from the latest generations. In order to achieve this goal we are going to elaborate a microcontrollers that will be the basis for a series of projects communicated via RF (radio frequency), Bluetooth IR (infra red) as well as the integration of analogical and digital sensors that will work together with the control motor altern current, direct current, servo motors, steper motors among others.
6
1.2 INTRODUCCIÓN.
Este sistema denominado tarjeta entrenadora de microcontroladores mejor
conocidos como pic´s, consiste en un equipo completo para la evaluación de
aplicaciones basadas en el microcontrolador PIC de la serie 16F y para ser más
específicos 16F877A que es una gama básica que dispone la empresa de
MICROCHIP, dicho dispositivo dispone de una serie de periféricos básicos de E/S
con los que se puede verificar el funcionamiento de una aplicación así como las
circuitería necesaria para la grabación de este modelo en especial.
Esta tarjeta entrenadora se le denomina sistema de desarrollo ya que es un
equipo físico que en conjunto con el uso de la programación conforman una
herramienta capaz de desarrollar todas las operaciones necesarias para diseñar
proyectos básicos y de complejidad media, basados en un microcontrolador
programable.
Entre los objetivos que se persiguen son el desarrollo de prácticas guiadas para
que aquellos alumnos que, con una especial motivación, deseen realizar su propio
sistema digital basado en el microcontrolador y otras nuevas tecnologías como las
anteriormente mencionadas, y dispongan de algunas interfaces ya resueltas de
modo que no supongan una gran dificultad añadida al trabajo académico.
El primer objetivo del presente proyecto ha sido disponer del sistema basado en el
microcontrolador totalmente operativo. Después se han ido incorporando
diferentes interfaces y dispositivos para cubrir un abanico de aplicaciones
7
ANTECEDENTES DE LA INSTITUCIÓN.
1.3 ANTECEDENTES DE LA INSTITUCIÓN
PRESENTACIÓN
El Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica, desde su creación hace
casi 30 años, ha representado una alternativa para la formación profesional
técnica de miles de jóvenes que desean incorporarse de manera inmediata al
mercado laboral, enfrentando el reto de responder con equidad, calidad y
pertinencia a las transformaciones socioeconómicas de nuestro país.
En la misma dinámica, y con una visión proactiva acerca del contexto de la
sociedad mexicana, se lleva a cabo la reorientación del Modelo Educativo del
Conalep. En este documento se presenta una síntesis de los elementos que lo
integran, siendo éstos el fruto constante del trabajo colegiado del Sistema
Nacional de Colegios de Educación Profesional Técnica en el país, en sus tres
niveles de operación, y el cual será enriquecido con las aportaciones de quienes lo
llevan a su operatividad en los planteles.
MISIÓN
Formar Profesionales Técnicos a través de un Modelo académico para la calidad y
competitividad en un sistema de formación que proporciona a sus egresados la
capacidad de trabajar en el sector productivo nacional o internacional, mediante la
comprobación de sus competencias, contribuyendo al desarrollo humano
sustentable y al fortalecimiento de la sociedad del conocimiento.
VISIÓN
Somos la institución de formación técnica del sistema de educación media
superior de la nación que mejor responde a las necesidades de los sectores
productivos del país, con estándares de clase mundial.
Modelo Académico de Calidad para la Competitividad
El Conalep propone la reorientación de su Modelo Académico como respuesta a la
demanda de una formación de recursos humanos altamente calificados y
reconocidos en el sector productivo, con una sólida formación ocupacional y
académica para la competitividad, respaldada en valores cívicos y de
sustentabilidad ambiental, que coadyuven al desarrollo del país.
PROPÓSITO
Promueve una formación profesional técnica y capacitación (Profesional Técnico
PT, Profesional Técnico Bachiller PTB y Postécnico) pertinentes, flexibles y de
vanguardia en congruencia con las necesidades cambiantes del entorno laboral;
así como una formación integral y permanente de los individuos en un marco de
desarrollo humano sustentable, a través del desarrollo de competencias con un
enfoque constructivista del conocimiento y del fortalecimiento de los mecanismos
8
de vinculación con el sector productivo e interinstitucional para asegurar la
inserción laboral y posibilitar el ingreso a la educación superior.
ESTRUCTURA DE LAS CARRERAS DEL CONALEP
El Conalep ofrece educación en el nivel medio superior, la cual se cursa en seis
semestres de 18 semanas cada uno, con una carga de 35 horas a la semana,
obteniéndose un total de 3780. La estructura de su oferta está integrada por
núcleos de formación, los cuales responden asertivamente a las necesidades y
tendencias educativas tanto del contexto nacional como
del internacional, así como a las políticas educativas establecidas en el Plan
Nacional de Desarrollo 20062011.
Estos núcleos de formación son: Básica y Profesional y se complementan con los
de formación Propedéutica y Postécnica, los cuales son de carácter opcional.
FORMACIÓN PROFESIONAL.
Orientada al desarrollo de competencias laborales requeridas para la realización
de funciones productivas demandadas por los sectores productivos local, regional
y nacional, de acuerdo con las tendencias actuales de un mundo globalizado y
cambiante.
Las competencias a desarrollar en este núcleo corresponden a las competencias
profesionales básicas y extendidas establecidas por la SEMS, realimentadas por
las competencias genéricas y las mismas disciplinares, si así lo requiere la
formación. Existen dos componentes en este núcleo de formación:
Formación profesional general
Conformada por módulos que se orientan al desarrollo de competencias laborales
generales de una carrera. Se cursa de segundo a sexto semestre por los alumnos,
tras haber elegido una carrera de la oferta educativa del Colegio.
Formación profesional específica
Está enfocada a proporcionar una formación profesional específica dentro de la
carrera elegida, que se traduce en los trayectos técnicos, los cuales constituyen
una gama de opciones para los alumnos que, a partir del cuarto semestre, se
forman en un campo profesional específico. Los módulos que conforman los
trayectos técnicos se caracterizan por ser optativos (el alumno elige al menos un
trayecto de acuerdo con sus intereses y necesidades) y regionalizables
(directamente relacionados con las necesidades de formación o capacitación de
un grupo de población que se puede beneficiar mediante éstos y por su impacto
en sectores clave para el desarrollo de regiones focalizadas).
9
PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA.
Una de las preocupaciones que siempre ha estado vigente dentro de las
instituciones educativas tiene lugar a la práctica efectiva de la tecnología, esto es
la manera de cómo son aceptados los resultados que emanan de las
investigaciones realizadas en esta área.
Esta preocupación nos ha llevado a estudiar con detenimiento la forma de cómo
se desarrollan los proyectos tecnológicos y las implicaciones directas e indirectas
que sobre ello ejerce la aplicación del conocimiento científico en situaciones
donde la realidad de la educación exige soluciones eficaces, ya que los distintos
sectores de la misma presentan diversas necesidades cuya magnitud incluye
distintas aplicaciones de existentes de tecnología de vanguardia.
Considerando que una conceptualización de tecnología debe partir de la
plataforma de la realidad y de la práctica educativa, reconoceremos que puede ser
más que la simple aplicación del conocimiento científico a la solución de
problemas y que la integración de esta tecnología, permite proponer estrategias
educativas en contextos propios para que a partir de ellas se inicien
investigaciones y puedan plantearse alternativas más generalizadas.
Para aplicar dicha conceptualización tocaremos temas como es la capacitación a
los estudiantes como un proceso que habrá de llevarnos a establecer la relación
existente entre la tecnología y la identificación de necesidades dentro de su vida
cotidiana y laboral.
Como primer tema, comenzaremos por señalar como un hecho reconocido el que
desde su origen hasta hoy en dia, la tecnología registra constantemente
importantes evoluciones, así lo manifiestan algunas investigaciones realizadas
dentro de varias instituciones educativas tanto en nivel medio superior como a
nivel superior, y reconocen que aún queda mucho trecho por recorrer.
Es por ello que se puntualiza en la problemática de la capacitación que quiere
decir o dicho de otro modo, es el proceso de enseñanza-aprendizaje orientado a
proporcionar conocimientos y habilidades de índole pedagógica que imparten
docencia, con el fin de que puedan cumplir en forma sus responsabilidades de
trabajo. Otro aspecto importante y que vale la pena recalcar es la identificación de
una necesidad para saber cómo actuar y aplicar los conocimientos tecnológicos
adquiridos previamente en una capacitación.
Sin lugar a duda la tecnología esta creciendo a pasos agigantados es por ello que
es importante una capacitación tanto de profesores como de alumnos en general,
especificando que para ofrecer soluciones dentro del ámbito tecnológico debe
considerarse que una institución educativa debe tener el equipo y herramientas de
tecnología de vanguardia para poder ofrecer una capacitación certera para llevar a
cabo las acciones requeridas por el sector productivo o en la vida cotidiana.
10
JUSTIFICACIÓN.
En la actualidad las instituciones educativas a nivel técnico bachiller con el afán
de que los estudiantes se relacionen con situaciones que se presentan en las
industrias. Hoy en día se realizan proyectos a su área de especialidad por lo cual
se hace imprescindible construir una tarjeta entrenadora de microcontroladores o
mejor conocidos como (PIC), es por ello que dicha tarjeta esta realizada con el
propósito de entender y comprender la importancia de la innovación tecnológica ya
que la versatilidad del sector productivo es muy demandante y día a día sufre
cambios en sus procesos productivos dichos cambios requieren de nueva
tecnología, y como se ha mencionado en párrafos anteriores el mundo de los
microcontroladores cada vez esta mas presente en nuestro alrededor.
Con la tarjeta entrenadora de microcontroladores pretendemos abarcar una amplia
capacitación tanto para profesores y alumnos para que conozcan y entiendan
mejor la programación y puedan desarrollar su propio sistema controlado por
medio de PIC el cual puedan implementar y llevar a cabo acciones demandadas
por el sector productivo, además de que desarrollara en los profesores una
estrategia de enseñanza aprendizaje y en los estudiantes generara ideas para el
proceso de la innovación, estas ideas pueden referirse a desarrollar o mejorar un
nuevo producto, servicio o proceso. Además de que se busca el desarrollo de la
precisión, la curiosidad, la puntualidad, el entusiasmo, el interés, la tenacidad, la
flexibilidad y la autonomía y en consecuencia actué de manera, profesional y a
esto llamamos que los alumnos sean competentes.
La competencia como tal es que el alumno Conoce y explica el funcionamiento
interno y externo del microcontrolador, realizar programas en lenguaje
ensamblador y , utilizando todos los recursos del microcontrolador, para resolver
problemas específicos en el ámbito de la aplicación de la ingeniería electrónica y
en el desarrollo de aplicaciones y de equipo electrónico, para lo cual el estudiante
realizará actividades de investigación, análisis, reflexión, observación, y diseño,
apoyándose en el uso de herramientas computacionales.
Es importante destacar que este que proyecto que se llevara a cabo cumple con otro objetivo, y es el de coadyuvar a la complementación de la competencia profesional, ya que el desarrollo de la competencia se concreta en la identificación y funcionamiento, pero no en la construcción y diseño de tarjetas PCB para la implementación de nuevas tecnologías y de esta manera Operar microcontroladores acoplados a sistemas electrónicos, realizando la programación de funciones básicas de control. Además de que dicho proyecto es decir que sirve como apoyo para las estrategias de enseñanza-aprendizaje para los semestres subsecuentes.
11
OBJETIVO GENERAL.
Diseñar y construir una tarjeta entrenadora de microcontroladores PIC para que
aquellos alumnos que, con una especial motivación, deseen realizar su propio
sistema digital basado en el microcontrolador 16f877A y otras nuevas tecnologías.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Diseño y construcción de una placa de circuito impreso organizado y ensamblado
de tal manera que sea atractivo y de fácil uso para todos aquellos aprendices del
la programación de microcontroladores e interfaces acoplados a sistemas
electrónicos, utilizando el equipo y los dispositivos complementarios de nuevas
tecnologías para la programación de los mismos, conforme lo establecen los
procedimientos técnicos del fabricante y de la normatividad vigente.
12
HIPOTESIS.
La construcción de una tarjeta entrenadora de microcontroladores es mucho más
eficiente, además de que ahorra tiempo y se evita de cableados en protoboard, y
no se diga de las aplicaciones y gran numero de aplicaciones de los
microcontroladores o mejor conocidos como PIC.
Los PIC, de Microchip, son una opción más dentro del vasto mercado de
microcontroladores. La popularidad de estos micros radica en su alta
disponibilidad en el mercado y bajo precio.
Los fabricantes han procurado una difusión exhaustiva de información relativa a
sus productos, lo cual ha traído como consecuencia un proliferado uso de este
tipo de microcontroladores. Algunos de los profesionales y aficionados o
estudiantes que los utilizan difunden sus desarrollos e inventos por la red lo cual
ha promovido su uso. Muchos consideran que los PIC son los más fáciles de
programar.
Por otro lado, se han desarrollado una serie de herramientas de bajo costo por
parte de terceros (empresas, profesionales y aficionados), como son
programadores, software, etc., que facilitan el uso y programación de estos
dispositivos para su facilidad, manejo y entendimiento de programación.
13
CAPÍTULO II
Historia de los microcontroladores 2.1
Antes de comenzar a analizar el mundo de los microcontroladores o mejor
conocidos como pic´s, debemos conocer un poco acerca de la historia de los
mismos ya que es necesario saber cómo fue el comienzo de todo una tecnología
que hoy tenemos muy presente en los ámbitos tanto industrial como en nuestra
vida cotidiana.
Para el análisis de los microprocesadores y microcontroladores se deben
comprender algunos aspectos y entender que fue lo que puso a estos dispositivos
en los primeros años. Dando secuencia a la historia de ellos los primeros
procesadores o computadoras eran gigantescas y se construyeron en las décadas
de 1940 y 1950, construidas con relevadores y tubos de vacio (bulbos). Más
adelante, se utilizaron los transistores y componentes electrónicos de estado
sólido para comenzar a construir las poderosas computadoras de la década de
1960. Con el advenimiento, de los circuitos integrados se llego al
perfeccionamiento del microprocesador y de los sistemas de microcomputadoras.
El microprocesador de 4 bits fue creado en 1969 por Intel Corporation y el talento
creativo de Marcian. E Hoff que lanzo el primer microprocesador llamado el 4004,
de 4 bits. Este microprocesador, programable en un solo encapsulado era
insuficiente, según las normas actuales, porque solo direccionaba 4096
localidades de 4 bits en la memoria. El 4004 contenía un conjunto o set de 45
instrucciones diferentes. Como consecuencia el 4004 solo podía ser empleado en
aplicaciones limitadas, como los primeros juegos de video y en controladores
basados en microprocesadores. Cuando surgieron aplicaciones mas complejas
para el microprocesador, el 4004 resulto inadecuado, y mas tarde en 1971
apareció el microprocesador de 8 bits el cual se dieron cuenta sus creadores de
que era un producto, viable, para comercialización Intel Corporation lo llamo el
8008. El tamaño ampliado de la memoria (16Kohm) y las instrucciones
adicionales (un total de 48). Con este nuevo microprocesador brindaron la
oportunidad de muchas aplicaciones más avanzadas ( 1K es igual a 1024 y un
byte es un numero de 8 bits).
Conforme los ingenieros desarrollaban usas mas demandantes para el
microprocesador, la memoria y el juego de instrucciones del 8008, el primero de
los microprocesadores modernos de 8 bits, otras empresas comenzaron a lanzar
sus propias versiones de los procesadores de 4 y de 8 bits.
Pero con la llegada de estos antiguos microprocesadores y con La situación
actual en el campo de los microcontroladores se ha producido gracias al desarrollo
de la tecnología de fabricación de los circuitos integrados. Este desarrollo ha
permitido construir las centenas de miles de transistores en un chip. Esto fue una
14
condición previa para la fabricación de un microprocesador. Las primeras
microcomputadoras se fabricaron al añadirles periféricos externos, tales como
memoria, líneas de entrada/salida, temporizadores u otros.
No mucho tiempo después de eso, la compañía americana CTC pidió a INTEL y
Texas Instruments que hiciera un microprocesador de 8 bits. Aunque después a
CTC no le interesó mas la idea, Intel y Texas Instruments siguieron trabajando en
el microprocesador y el primero de abril de 1972, el microprocesador de 8 bits
aparece en el mercado con el nombre de 8008. Podía direccionar 16 Kb de
memoria, con un set de 45 instrucciones y una velocidad de 300 000 operaciones
por segundo. Este microprocesador es el predecesor de todos los
microprocesadores de hoy. Intel mantuvo sus desarrollos y saco al mercado el
procesador de 8 bits bajo el nombre 8080, el cual podía direccionar 64Kb de
memoria, con 75 instrucciones, a un precio de 360 dlls.
En otra compañía americana, Motorola, comprendieron rápidamente lo que estaba
sucediendo, así que ellos sacaron al mercado su microprocesador de 8 bits, el
6800. Su constructor principal era Chuck Peddle, y junto con el procesador,
Motorola fue la primera compañía en hacer otros periféricos como el 6820 y el
6850. En ese momento muchas compañías reconocieron importancia de los
microprocesadores y empezaron sus propios desarrollos. Chuck Peddle
abandonó Motorola para unirse a la Tecnología MOS y se mantuvo trabajando
intensamente en el desarrollo de los microprocesadores.
En Estados Unidos, la Tecnología MOS anunció que estaba comercializando los
microprocesadores 6501 y 6502 a 25 dlls. cada uno, y que los compradores
podrían adquirirlos inmediatamente. Esto era tan extraordinario, que algunas
personas creyeron que era un escándalo, considerando que los competidores
estaban vendiendo el 8080 y el 6800 a 179
dlls. cada uno. Intel y Motorola bajaron sus precios en el primer día de la
exhibición como una respuesta a su competidor, 69.95 por microprocesador.
Motorola reclama a la Tecnología de MOS y a Chuck Peddle el haberles copiado
su 6800. La Tecnología MOS suspende la fabricación del 6501, pero siguen
produciendo el 6502. Los 6502 eran microprocesadores de 8 bits, 56
instrucciones y la capacidad de direccionar 64Kb de memoria directamente. Para
reducir el costo, el 6502 se vuelve muy popular, así que se instala en las
computadoras tales como: KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric,
Galeb, Orao, Ultra, y muchas otras. Y muy pronto aparecieron varios fabricantes
del 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh, y Comodore quienes toman la
Tecnología MOS) el cual estaba en su momento de apogeo y se vendía a una
velocidad de 15 millones de procesadores por año. Otros, sin embargo, no se
rindieron. Federico Faggin deja Intel, y empieza su propio Zilog Inc.
En 1976, Zilog anuncia el Z80. Durante la fabricación de este microprocesador,
Faggin toma una decisión giratoria. Sabiendo que ya se han desarrollado muchos
15
programas para 8080, Faggin sabía que muchos se quedarían fieles a ese
microprocesador. Así que decide diseñar un nuevo
procesador que pueda ser compatible con 8080, o que sea capaz de desarrollar
todos los programas que ya se habían escrito para el 8080. Además de estas
características, se agregaron muchas otras para que el Z80 fuera un
microprocesador muy poderoso. Podía direccionar 64 Kb de memoria, tenía 176
instrucciones, un gran número de registros, una opción para refresco de
memoria dinámica de la RAM, mayor velocidad de trabajo etc. El Z80 fue un gran
éxito y todos cambiaron del 8080 al Z80. Puede decirse que el Z80 fue el
microprocesador comercializado más exitoso de ese tiempo. Además de Zilog,
también aparecieron otros nuevos fabricantes como Mostek, NEC, SHARP, y
SGS. Z80 estaba en el corazón de muchas computadoras como en Spectrum,
Partner, TRS703, Z-3 etc.
En 1976, Intel propone una versión mejorada del microprocesador de 8 bits, al
cual nombró 8085. Sin embargo, el Z80 era tan bueno que Intel perdió la batalla.
Aunque más procesadores aparecían en el mercado (6809, 2650, SC/MP etc.), ya
todo estaba decidido. Ya no había grandes mejoras departe de los fabricantes
para hacer algo nuevo, así que el 6502 y el Z80 junto con el
6800 permanecieron como los representantes principales de los
microprocesadores de 8 bits de ese tiempo.
Aunque en toda esta historia, se mencionan erróneamente microprocesadores, la
realidad, es que las primeras PCs, emplearon microcotroladores, los cuales, como
ya vimos, cuentan con un procesador y memoria. Posteriormente, se dio el paso a
los microprocesadores, que no cuentan con la memoria, en el mismo circuito
integrado, y los microcontroladores, tienen su aplicación en aparatos
electrodomésticos automóviles, en la industria, entre otros.
En 1980 aproximadamente, los fabricantes de circuitos integrados iniciaron la
difusión de un nuevo circuito para control, medición e instrumentación al que
llamaron microcomputador en un sólo chip o de manera más exacta.
16
2.1.1 Microcontrolador.
Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura
(arquitectura) de un microcomputador, o sea CPU, RAM, ROM y circuitos de
entrada y salida. Los resultados de tipo práctico, que pueden lograrse a partir de
estos elementos, son sorprendentes.
En el mundo de la electrónica algunos estudiantes principiantes creen que un
microcontrolador es igual a un microprocesador. Esto no es cierto. Difieren uno del
otro en muchos sentidos. La primera y la más importante diferencia es su
funcionalidad.
Un microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de
Proceso (CPU), también llamada procesador, de una computadora. El CPU está
formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de
Datos, que las ejecuta. Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las
líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la
Memoria y los Módulos de E/S y configurar una computadora implementada por
varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto
porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se
destine.
Para utilizar al microprocesador en una aplicación real, se debe de conectar con
componentes tales como memoria o componentes buses de transmisión de datos.
Aunque el microprocesador se considera una máquina de computación poderosa,
no está preparado para la comunicación con los dispositivos periféricos que se le
conectan. Para que el microprocesador se comunique con algún periférico, se
deben utilizar los circuitos especiales. Así era en el principio y esta práctica sigue
vigente en la actualidad.
Por otro lado, al microcontrolador se le diseña de tal manera que tenga todas las
componentes integradas en el mismo chip. No necesita de otros componentes
especializados para su aplicación, porque todos los circuitos necesarios, que de
otra manera correspondan a los periféricos, ya se encuentran incorporados. Así se
ahorra tiempo y espacio necesario para construir un dispositivo y la diferencia de
ellos se muestra en la figura 1
17
Figura 2.1
2.2 Los Fabricantes y sus Modelos de Microcontroladores
•INTEL -------------------------------------->8048,8051,80C196,80386
•MOTOROLA -------------------------------->6805,68HC11,68HC12
•HITACHI------------------------------------> HD64180
•PHILIPS ------------------------------------>8051
•SGS-THOMSON-----------------------------> ST-62XX
•NATIONAL SEMICONDUCTOR-------------> COP400,COP800
•ZILOG---------------------------------------> Z8,Z86XX
•TEXAS INSTRUMENTS---------------------> TMS370
•TOSHIBA------------------------------------> 68HC11
•MICROCHIP---------------------------------> PIC
SEGÚN UNIDADES VENDIDAS DE MICROS DE 8 BITS
18
1990
1.- Motorola
2.- Mitsubishi
3.- NEC
4.- Intel
5.- Hitachi
6.- Philips
7.- Matsushita
8.- National
9.- Siemens
10.- TI
11.- Sharp
12.- Oki
13.- Toshiba
14.- SGS-Thomson
15.- Zilog
16.- Matra
17.- SONY
18.- Fujitsu
19.- AMD
20.- Microchip
1996
1.- Motorola
2.- Mitsubishi
3.- SGS-Thomson
4.- NEC
5.- Microchip
6.- Philips
7.- Zilog
2002
1.- Microchip
2.- Motorola
3.- ST-Micro
4.- NEC
5.- Atmel
6.- Sunplus
7.- Hitachi
8.- Fujitsu
9.- Philips
10.- Toshiba
11.- Mitsubishi
12.- Samsung
13.- Elan
14.- Winbond
15.- Zilog
16.- Sanyo
17.- Matsushita
18.- Infineon
19.- Holtek
20.- National
Tabla 2.1 marcas mas vendidas en los últimos 12 años
¿Dónde tenemos microprocesadores y microcontroladores?
30% computación
30% hogar
15% comunicaciones
15% industria
10% automóvil
Evolución Microprocesadores: Computadores
75 Millones Microprocesadores/año
Evolución Microcontroladores: Sistemas Empotrados
19
2500 Millones Microcontroladores/año, No hay duda que disponer de un chip que
cuente con tantos subsistemas, es un gran avance y consecuentemente muy
rentable.
Los microcontroladores de 8 bits dominan en la mayoría de las aplicaciones el
microcontrolador es el núcleo del sistema electrónico versátil de bajo coste y
reducido tamaño que es capaz de detectar las señales de entrada y generar las
salidas de un equipo, sistema o instrumento. Por su reducido tamaño y coste
permiten la fácil implantación de sistemas de “inteligencia” distribuida a lo largo de
sistemas más complejos. Los microcontroladores son los semiconductores más
abundantes de todos en la actualidad.
2.3El catálogo actual de Familias de Microcontroladores PIC
• Familia PIC10F20x 4 Dispositivos
• Familia PIC12CXXX/12FXXX (12/14 bits) 8 Dispositivos
• Familia PIC16C5X (12 bits) 9 Dispositivos
• Familia PIC16CXXX/16FXXX (14 bits) 74 Dispositivos
• Familia PIC17CXXX (16 bits) 7 Dispositivos
• Familia PIC18CXXX/18FXXX (16 bits) 82 Dispositivos
Los microcontroladores son la evolución natural de la tecnología de la
microelectrónica de los microprocesadores. Un microprocesador se basa en una
CPU donde el bus de datos, el bus de direcciones y el bus de control salen al
exterior, en ellos se conectan los periféricos necesarios para realizar un sistema.
Un microcontrolador integra una cantidad de periféricos, así como el bus y permite
tener un dispositivo para cada solución.
Aunque, siguen existiendo microcontroladores con bus externo, normalmente son
de 16 o 32 bits y se utilizan en sistemas donde a parte de los periféricos
necesarios se necesita una gran cantidad de memoria de programa, memoria de
datos o entradas/salidas.
2.3.1Novedades relevantes de los microcontroladores
Los microcontroladores día a día nos van sorprendiendo con nuevas
características, nuevos periféricos y nuevas estructuras. En este comienzo de
milenio, realmente han dado un gran adelanto con la tecnología Flash en la
memoria de programa, que permite programar y borrar la memoria en la propia
placa de nuestro sistema (ISP). También permite la reprogramación de la misma
20
sin parar la aplicación (IAP).
Con la incorporación de un circuito PLL en el oscilador, permite poder utilizar un
cristal de baja frecuencia, así como programar la frecuencia del Bus. Los
supervisores de funcionamiento tanto a nivel software como a nivel hardware, es
otra mejora relevante, lo que permite reducir el número de componentes externos
en nuestro hardware. Las nuevas tecnologías del silicio permiten aumentar la
velocidad del Bus y disminuir el consumo, así como utilizar encapsulados más
pequeños, reduciendo el costo. También la incorporación de un módulo de
depuración interno, ha permitido crear nuevas herramientas de desarrollo mucho
más económicas, donde se puede tener una emulación en tiempo real.
2.4Microcontroladores PIC
• Arquitectura Harvard: buses internos separados para memoria de datos (8 bits) y
de programa (12, 14 ó 16 bits depende de la familia).
• Microprocesador RISC: juego de instrucciones reducido.
• Estructura pipe-line: durante la ejecución de una instrucción, se está accediendo
a la memoria de programa para traer la siguiente instrucción a ejecutar. En cuanto
se acaba una instrucción, ya se dispone de la siguiente para ejecutar (salvo que
se trate de un salto o llamada a subpr.).
• Todas las instrucciones ocupan una posición de memoria de programa.
• Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción = 4 ciclos de reloj
(salvo las instrucciones de salto).
• Ortogonalidad de los registros: se opera entre el registro de trabajo W y cualquier
otro registro, el resultado puede almacenarse en el citado registro o en W
2.4.1 ¿Por qué los Microcontroladores PIC de Microchip?
• Eficiencia del código: permiten una gran compactación de los programas.
• Rapidez de ejecución: a frecuencia de 20MHz -> 5 millones de instr./seg.
• Seguridad en acceso por la separación de memoria de datos y de programa.
• Juego reducido de instrucciones y de fácil aprendizaje.
• Compatibilidad de pines y código entre dispositivos de la misma familia o incluso
de familias distintas.
• Gran variedad de versiones en distintos encapsulados (desde 8 hasta 84 pines)
sin reducción de las prestaciones internas (muy versátiles).
• Posibilidad de protección del código muy fiable.
• Herramientas de desarrollo software y hardware abundantes y de bajo coste
21
2.4.2 La influencia de los Microcontroladores en la vida diaria
El microcontrolador es uno de los logros más sobresalientes del siglo XX. Hoy
existen casi 15,000 millones de microchips de alguna clase en uso. Para la mitad
del siglo próximo, es posible que el microcontrolador típico tenga mayor poder de
cómputo que las supercomputadoras más veloces de hoy.
Nuestros antepasados no podían ni imaginarse el cambio que se iba a producir en
sus vidas este pequeño chip de silicio.
Actualmente los podemos encontrar en cualquier sitio: microondas, frigoríficos,
coches, aviones, mandos a distancia, radios, televisores.......
Hoy se puede comprar tarjetas de felicitación que contienen procesadores con
mayor poder de cómputo que las computadoras más grandes del mundo en 1971.
Los microcontroladores son tan ubicuos y económicos que ahora los ponemos
bajo la piel de nuestras mascotas, los cosemos a prendas de vestir y los
agregamos a bombillas eléctricas, tenis para correr, ataduras de esquíes y joyería.
Muchos futuristas predicen que en siete generaciones contadas a partir de ahora,
estos chips incorporarán reconocimiento del habla a procesadores de textos y
sistemas de entrada de pedidos. Producirán gráficos en 3D del tamaño de muros
para televisión, teleconferencias e incluso películas personalizadas. Dirigirán
nuestros vehículos para optimizar la seguridad y crearán mundos virtuales por los
que nos desplazaremos. Darán instrucción a nuestros hijos, supervisarán nuestra
salud, reemplazarán partes perdidas del cuerpo y, a través de una retícula de
miles de millones de sensores, nos conectarán con el mundo en formas que sólo
podemos imaginar vagamente. En definitiva, el microcontrolador puede ser
considerado como uno de los inventos más importantes de este siglo, y quien
sabe si también del próximo.
Algunos microcontroladores más especializados poseen además convertidores
análogos digital, temporizadores, contadores y un sistema para permitir la
comunicación en serie y en paralelo.
Se pueden crear muchas aplicaciones con los microcontroladores. Estas
aplicaciones de los microcontroladores son ilimitadas (el límite es la imaginación)
entre ellas podemos mencionar: sistemas de alarmas, juego de luces, paneles
publicitarios, etc. Controles automáticos para la Industria en general. Entre ellos
control de motores DC/AC y motores de paso a paso, control de máquinas, control
de temperatura, control de tiempo, adquisición de datos mediante sensores, etc.
Un controlador es un dispositivo electrónico encargado de, valga la redundancia,
controlar uno o más procesos. Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado,
recogerá la información de los sensores de temperatura, la procesará y actuará en
consecuencia.
Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes
discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos
22
de E/S, sobre una placa de circuito impreso (PCB). Actualmente, los
controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño
chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de microcontrolador.
En especial en este documento se realizara una tarjeta entrenadora basada en el
microcontrolador (pic) 16f8877A el cual tiene las siguientes características.
El PIC16F877A es un microcontrolador con memoria de programa tipo FLASH, lo
que representa gran facilidad en el desarrollo de prototipos y en su aprendizaje ya
que no se requiere borrarlo con luz ultravioleta como las versiones EPROM, sino
que permite reprogramarlo nuevamente sin ser borrado con anterioridad.
El PIC16F877A es un microcontrolador de Microchip Technology fabricado en
tecnología
CMOS, su consumo de potencia es muy bajo y además es completamente
estático, esto quiere decir que el reloj puede detenerse y los datos de la memoria
no se pierden.
El encapsulado más común para este microcontrolador es el DIP (Dual In-line Pin)
de
40 pines, propio para usarlo en experimentación. La referencia completa es
PIC16F877-04 para el dispositivo que utiliza cristal oscilador de hasta 4 MHz,
PIC16F877-20 para el dispositivo que utiliza cristal oscilador de hasta 20 MHz o
PIC16F877A-I para el dispositivo tipo industrial que puede trabajar hasta a 20
MHz.
en la figura 1.2 se muestra la configuración de pines del circuito integrado como
tal.
Configuración de pines
Figura 2.2 Distribución de pines del PIC16F877A.
23
Los pines de entrada/salida de este microcontrolador están organizados en cinco
puertos, el puerto A con 6 líneas, el puerto B con 8 líneas, el puerto C con 8
líneas, el puerto D con
8 líneas y el puerto E con 3 líneas. Cada pin de esos puertos se puede
configurar como entrada o como salida independiente programando un par de
registros diseñados para tal fin. En ese registro un bit en "0" configura el pin del
puerto correspondiente como salida y un bit en "1" lo configura como entrada.
Dichos pines del microcontrolador también pueden cumplir otras funciones
especiales, siempre y cuando se configuren para ello.
En la fig 1.2 se muestra la configuración de los pines de entradas y salidas (E/S).
Figura2.3. Distribución de los puertos del
PIC16F877A
Descripción de los pines del microcontrolador (anexo1a)
24
2.5 Modulo PWM del PIC 16F877A
El Modulo PWM del PIC 16F877 tiene una resolución máxima de 10 bit y su salida
se toma del puerto RA, por lo cual debe estar configurado como salida en el
registro Tris C.
2.5.1Periodo PWM
El Periodo del Modulo PWM es configurado dando un valor al registro PR2. Este
periodo puede ser calculado usando la siguiente formula:
PWM Period = [(PR2) + 1] • 4 • TOSC • Prescale del Timer 2
Como ya es sabido la frecuencia esta determinada por 1/Periodo PWM
Cuando el valor del Timer 2 alcanza el valor de PR2, los siguientes eventos
ocurren en el siguiente ciclo de tiempo:
- TMR2 es limpiado
- El pin CCP1 es puesto a 1
- El Periodo de trabajo del PWM es cambiado de CCPR1H a CCPR1L
Ciclo de trabajo del PWM
El ciclo de trabajo del PWM es determinado escribiendo al registro CCPR1L y
CCP1CON<5:4> (10 bits de resolución).
El ciclo de trabajo se obtiene usando la siguiente fórmula:
Tiempo de Trabajo PWM = (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) •TOSC • (TMR2 Prescale
Value)
Para modificar el ciclo de trabajo, en cualquier momento se puede escribir a
CCPR1L y CCP1CON<5:4>, pero estos valores no serán tomados en
consideración hasta que el Timer alcance al PR2 y reinicie su operación tomando
en cuenta los nuevos valores.
Tiempo de trabajo = % Ciclo de trabajo / Fpwm
Para calcular la máxima resolución del PWM a determinada frecuencia usamos la
siguiente fórmula:
Formula para resolución del modulo PWM
25
2.5.2CONFIGURACION DEL PWM
Pasos para la configuración del Modulo PWM del PIC 16F877A
1. Configurar el Periodo dando un valor al registro PR2
2. Configurar el Ciclo de Trabajo escribiendo en: CCPR1L:CCP1CON<5:4>
3. Limpiar el Tris C, 2 para asignar la salida del modulo (CCP1)
4. Asignar el valor del Prescale del Timer 2 (T2CON)
5. Configurar el modulo CCP1 para operación PWM.
Ejemplo de frecuencias y su resolución
Útil interfaz óptica para amplificar sin peligro nuestras señales digitales de reloj
(clock) y de paso desfasarlas 180° para uso en controles de potencia,
especialmente en inversores ó convertidores tipo DC AC, para por ejemplo subir
de 12 V DC a 120 VAC entre otras muchas aplicaciones.
Se pueden apreciar los dos voltajes de la interfaz: 5 V para la entrada de señal de
reloj y 12 V para la etapa de potencia. La GND puede ser compartida.
Al ingresar la señal por el pin 2 de J4, se podrá ver como el LED D2 y el LED D3
siempre están desfasados 180 ° el uno del otro a la frecuencia del reloj;
obviamente que si esta frecuencia es mayor a 20 Hz el efecto visual es que ambos
están encendidos al tiempo, pero en realidad están uno después del otro.
La colocación estratégica de los optoacopladores tipo diodo-NPN (4N26 por
ejemplo), evita el tener que usar integrados y etapas desfasadoras adicionales que
aumenten trabajo, gastos y líneas de código si estamos programando un oscilador
con PIC para este fin.
26
CAPITULO 3.
Desarrollo teórico de la propuesta de mejora
Para la elaboración y construcción de la tarjeta entrenadora de pic´s fue
elaborada con algunos elementos y dispositivos electrónicos y eléctricos, de igual
forma se recurrió al uso de un software para el diseño tanto del esquemático y del
PCB (Baquelita), cabe mencionar que cada uno de los elementos es indispensable
para el correcto funcionamiento de la tarjeta entrenado de pic´s
-Base zif.
-Regulador de voltaje 7805.
- resistencia eléctrica.
-Transistores.
-Led.
-capacitores.
3.1Base zif o zócalo
La tarjeta entrenadora de pic´s cuenta con un zócalo o base zif, este
zócalo (socket en inglés) es un sistema electromecánico de soporte y conexión
eléctrica, instalado en la placa base, que se usa para fijar y conectar
un microprocesador. Se utiliza en equipos de arquitectura abierta, donde se busca
que haya variedad de componentes permitiendo el cambio de la tarjeta o el
integrado. En los equipos de arquitectura propietaria, los integrados se añaden
sobre la placa base soldándolo, como sucede en las videoconsolas.
Existen variantes desde 40 conexiones para integrados pequeños, hasta más de
1300 para microprocesadores, los mecanismos de retención del integrado y de
conexión dependen de cada tipo de zócalo, aunque en la actualidad predomina el
uso de zócalo ZIF (pines) o LGA (contactos)
El zócalo va soldado sobre la placa base de manera que tiene conexión eléctrica
con los circuitos del circuito impreso. El procesador se monta de acuerdo a unos
puntos de guía (borde de plástico, indicadores gráficos, pines o agujeros
restantes) de manera que cada pin o contacto quede alineado con el respectivo
punto del zócalo. Alrededor del área del zócalo, se definen espacios libres, se
instalan elementos de sujeción y agujeros, que permiten la instalación de
dispositivos de disipación de calor, de manera que el procesador quede entre el
zócalo y esos disipadores véase la fig 1.3.
27
Figura 3.1 Base zif
3.1.2 Regulador de voltaje 7805.
Los reguladores de voltaje 7805 son uno de los modelos más usados en circuitos
electrónicos porque tienen una salida ideal para alimentar otros circuitos y
microcomponentes. Este recibe un voltaje de hasta 20V de un lado y te entrega 5V
del otro, siempre. Puede trabajar con 1A pero puedes hacerlo funcionar con un
poco más que eso (solo ten cuidado con la disipación de calor).
El regulador de voltaje 7805 tiene 3 pines. El de en medio va a tierra (GND), el de
la izquierda (IN) recibe el voltaje que deseas regular, puede ir desde 7V hasta 20V
y el pin restante te entrega 5V.
Habrás notado que en la parte superior tienen un agujero, es porque este
microcomponente hierve con facilidad en especial cuando se le lleva al límite de
su funcionamiento (y eso es algo que se quiere evitar). Puedes emplear un tornillo
y/o hacer contacto con una superficie metálica para ayudar a disipar el calor.
También puedes encontrar unos disipadores especiales para el 7805 en tu tienda
de electrónica preferida.
28
Figura 3.1.2 Distribución de patillaje
La familia 78xx y 79xx son una gama de integrados dedicados a la regulación de
voltaje, hay muchas variables: regulables, fijos, de tensión positiva o negativa.
Pero el mas común, y el que mayormente usaremos en el mundo de los PICs, es
el famoso 7805, que es un regulador de tensión positiva de 5 Volts a 1A, la tensión
justa y mucho mas corriente de la que necitan nuestros PICs para funcionar. Se
sabe que el buen funcionamiento del firmware que grabemos en el PIC está
sujeto, no sólo a la buena programación que hayamos hecho a la hora de
diseñarlo, sino que también a una alimentación fija, constante y regulada a la hora
de ejecutarlo. Entonces la manera mas segura, económica y sencilla de obtener
ese voltaje, es la utilización de un integrado regulador de voltaje, y el 7805 es uno
de los mas indicados ya que mantendrá fija la tensión en 5V, siempre y cuando en
su entrada reciba al menos 6V. Por lo tanto a la entrada podremos
despreocuparnos de la alimentación superando por mucho el voltaje de trabajo del
PIC.
Para trabajar con baterías sólo basta con conectar la entrada del IC (PIN 1) al
terminal positivo de la misma y el común (PIN 2) al negativo, a la salida tenemos
5V que es la tensión de trabajo del microcontrolador, podremos añadir un
capacitor entre GND y la salida, como se aprecia en la Figura 1, para eliminar
cualquier fluctuación de voltaje que pueda ocurrir, pero esto es siempre
recomendable hacerlo con el microcontrolador independientemente del origen que
tenga la alimentación.
29
Si al IC lo usaremos para regular la tensión proveniente de una fuente de
alimentación, el filtrado debe hacerse más concienzudamente, a parte del
capacitor luego de la regulación, necesitará dos mas antes, en el diagrama de la
figura 2 se ve el circuito para conectarlo a una fuente de alimentación regulada o
estabilizada de mas de 5 V.
Figura.3.1.4 7805 conectado a una fuente de alimentación regulada o
estabilizada de una tensión superior.
Para hacer una fuente completa que se conecte a 220V se necesita agregar un
transformador de corriente alterna y rectificar la tensión saliente para convertirla en
continua y poder acoplarla al circuito antes visto.
3.1.3 RESISTENCIA ELECTRICA
La resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por
un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de
las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a
un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la
circulación de la corriente eléctrica.
Una resistencia o resistor es un elemento que causa oposición al paso de la
corriente, causando que en sus terminales aparezca una diferencia de tensión.
30
Figura 3.1.3 resistencia eléctrica.
3.1.4 LCD 16x2 (display de cristal liquido)
Otra de las tecnologías agregadas a la tarjeta entrenadora de pic´s es una LCD de
16X2 que quiere decir q se obtiene 16 caracteres en dos renglones debido a las
limitaciones de los dsiplay de 7 segmentos.
Si bien muchas aplicaciones donde debemos mostrar información podemos
resolverlas con display de 7 segmentos, estos presentas algunas limitaciones
importantes, por ejemplo: no muestran caracteres alfanuméricos ni ASCII, y tienen
un elevado consumo de corriente (recordemos que estamos encendiendo LEDs).
Los módulos LCD (display de cristal líquido) solucionan estos inconvenientes y
tienen algunas ventajas adicionales como la facilidad que con que se pueden
conectar a microprocesadores y microcontroladores, sumado a la óptima
presentación de la información.
Figura 3.1.4 LCD 16X2.
31
3.1.5 CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS MODULOS LCD
Los módulos LCD se encuentran en diferentes presentaciones, por ejemplo 2x16
(2 líneas de 16 caracteres), 2x20, 4x20, 4x40, etc. Es conveniente buscar en
catálogos para encontrar aquel que cumpla con las necesidades de nuestro
proyecto. La forma de utilizarlos y sus interfaces (como se conectan) son
similares. En la hoja de datos del display viene la distribución de pines,
alimentación y el controlador (CI interno del modulo), etc. Es fundamental también
buscar la hoja de datos de CI interno o controlador de LCD, allí encontraremos la
información para operar con el mismo. Describiremos a continuación como
trabajar con el display 2x16 (FDCC1602E con controlador interno SPLC780) y se
podrá considerar esta información genérica para displays similares. Se muestra en
la tabla 1.2 un display de este tipo. Los pines de conexión de estos módulos
incluyen un bus de datos de 8 bits, un pin de habilitación (E), un pin de selección
que indica si lo que se esta enviando por el bus es un dato o una instrucción (RS)
y un pin que indica si se va a leer o escribir en el módulo (R/W). La tabla a
continuación describe en detalle los pines mencionados.
Tabla 3.1.5 Descripción de pines del LCD
32
Según la operación que se desee realizar en el módulo LCD, los pines de control
E, RS#, RW# deben tener un estado determinado. Además debe tener en el bus
de datos un código que indique un carácter para mostrar en la pantalla o una
instrucción de control para el display. Los módulos LCD responden a un conjunto
especial de instrucciones, estas deben ser enviadas por el microcontrolador o
sistema de control al display, según la operación que se requiera. Se muestran a
continuación el conjunto de instrucciones del modulo LCD.
3.1.6 INTERFAZ CON MICROCONTROLADOR A 8 BITS
Esta forma de manejo es la mas sencilla de programar, pero tiene la desventaja de
utilizar 8 pines del microcontrolador solo para el envío de datos y otros 2 pines
para las señales de control.
En principio en la mayor parte de las aplicaciones se va requerir escribir en el LCD
y rara vez leer en el mismo, por lo tanto en este apunte nos dedicaremos
exclusivamente a escribir en el LCD. Esto implica que el pin de selección de
lectura/escritura (R/W) lo conectaremos siempre a tierra GND.
Utilizaremos el puerto B como bus de datos (manejará los pines D0 a D7 del LCD)
y el puerto D se encarga de manejar las señales de control (manejará los pines E
y RS del LCD).
Deberemos programar 2 subrutinas, una que llamaremos INSTRUC que será
invocada cuando se quiera enviar una instrucción al módulo LCD, por ejemplo
limpiar pantalla, indicar una posición de memoria, indicar si utilizaremos interfaz de
8 o 4 bits etc.
Y otra subrutina que llamaremos ESCRIB que será invocada cuando se quiera
escribir un dato para ser visualizado en el módulo LCD.
Configuraremos entonces todo el puerto B como salida al igual que los pines RA0
y RA1 del puerto D, estando asignado cada pin del puerto como se indica a
continuación:
El puerto D del PIC, ira a los pines de datos de la pantalla.
El pin RS de la pantalla va al pin 2 del PORTC
El pin EN de la pantalla va al pin 1 del PORTC
El pin R/W de la pantalla va a tierra para esta aplicación
El pin Vo es el del contraste y va al pin medio del potenciómetro.
Ahora que le informamos donde vamos a escribir el dato, deberemos enviarlo y
aclararle que se esta enviando un dato, para lo cual necesitaremos una subrutina
que justamente hará esto y que la llamaremos ESCRIB. La secuencia de
instrucciones sería así:
MOVLW 80h; carga en w dirección de memoria del LCD donde se va almacenar el
dato
CALL INSTRUC; subrutina que gestiona la instrucción con el LCD- en este caso
que tome lo que se esta enviando como una dirección de memoria
33
MOVLW 'A'; este es el dato a presentar en pantalla
CALL ESCRIB; subrutina que gestiona el ingreso del dato al LCD a la posición de
memoria antes enviada.
Figura3.1.6 carácter enviado a la LCD
3.2 MICRO PROGRAMADOR USB
La tarjeta entrenadora cuenta con un microprogramador usb y sus características
son similares a las del PicKIT 2 este se utilizara para la programación del propio
microcontrolador. A continuación se presentan las características del programador.
Características:
Programador de PICs de microchip por USB compatible con WinXP, WinVista y
Win7. Programas todos los Microcontroladores PIC que funcionan a 5V, sirve
como debugger desde el MPLAB.
Se usa para programar por medio de ICSP (programación serial el circuito) por lo
que no se necesita retirar el PIC de circuito para poderlo programar, simplemente
se conectan los pines necesarios el programador (MCLR, Vcc, GND, PGD y PGC)
y podrás programar, reprogramar borrar y probar tu circuito sin necesidad de
mover mas que tu código fuente.
Solo se muestran algunos de los Microcontroladores que soporta ya que su
gama es muy amplia:
34
PIC16 Midrange PIC16F72 PIC16F73, 74, 76,
77 PIC16F716 PIC16F737, 747,
767, 777 PIC16F785, HV785 PIC16F84A, 87, 88 PIC16F818, 819 PIC16F870, 871,
872 PIC16F873, 874,
876, 877 PIC16F873A, 874A,
876A, 877A PIC16F882, 883,
884, 886, 887 PIC16F913, 914,
916, 917 PIC16F946
PIC24
PIC24F16GA004
PIC24F32GA004
PIC24F48GA004
PIC24F64GA004
PIC24F64GA008,
64GA010
PIC24F96GA008,
96GA010
PIC24F128GA008,
128GA010
PIC18F
PIC18F242, 252,
442, 452
PIC18F248, 258,
448, 458
PIC18F1220, 1320,
2220, 2320
PIC18F1230, 1330
PIC18F2221, 2321
Tabla3.2.1 Gama de microcontroladores que soporta el programador
35
A continuación se muestran la figuras del micro programador usb:
Figura 3.2.1 vista frontal figura 3.2.2 vista posterior
En la siguiente figura se muestra la distribución de patillaje así como la conexión al
microcontrolador PIC 16F877A.
Figura 3.2.3 de distribución de patillaje figura 3.2.4 de conexión al PIC
36
NOTA: el pin correspondiente al AUX no es necesario para la programación
de Microcontroladores, sin embargo se usara para aplicaciones especiales
para el DEBUGGER o para la programación de memorias EEPROM.
El software.
3.3 PICKIT2 – MICROCHIP.
Este software es de licencia libre, distribuido por MICROCHIP. Y es requerido para
poder hacer la interface entre los códigos hexadecimales creados por nuestro
lenguaje de programación (ensamblador, basic, c, etc.) y el programador de PICS.
Instalar el programa PICkit 2 Programmer
Una vez instalado el software debemos tener acceso a el, por lo que previamente
se debe conectar el programador a alguno de los puertos USB disponibles en
nuestro equipo. Al iniciar el programa PICKIT 2 aparecerá la siguiente ventana.
Figura 3.3.1
Figura 3.3.1
Se nota que el software nos arroja el comentario: vea figura 3.3.2
Figura 3.3.2
37
Con lo que se comprobara que el programador esta correctamente conectado y
por lo tanto fue reconocido por el sistema.
3.3.2 ¿Cómo iniciar la lectura o escritura de un Micro controlador PIC?
Una vez conectados correctamente los pines del puerto ICSP a la tarjeta
entrenadora de microcontroladores , o al dispositivo seleccionado los pasos son
muy sencillos:
3. oprimir el botón READ. Con esta acción el software comenzara a leer al PIC
que se encuentre conectado al puerto ICSP, una ves terminado el análisis
tendremos la siguiente imagen en pantalla. Figura 3.3.3
Figura 3.3.2
En este caso el PIC detectado es un 16F877A (encapsulado PDIP de 40 pines), el
cual al momento de su lectura no se encontró programa alguno dentro de su
memoria, pero si existiera alguno el software mostraría algo así:
Figura 3.3.3
38
Observando que en la parte correspondiente a Program Memory nos muestra
valores en código hexadecimal, lo cual quiere decir que el PIC tiene un programa
grabado en su memoria.
2. Escritura. Para cargar un programa a le memoria de un PIC es importante haber
generado un archivo con extensión .HEX desde el software compilador de nuestra
preferencia (ASM, PIC C, MIKROBASIC, PIC BASIC, etc). Una vez creado vamos
al menú File > Import HEX, y en la ventana que se muestra buscar el directorio
donde fue creado dicho archivo. Cuando lo encontramos solo procedemos a
oprimir el botón Abrir.
Figura 3.3.4
Una vez realizado este paso tendremos el siguiente mensaje:
Figura 3.3.5
39
Señal de que el archivo HEX fue importado con éxito
Y en la sección de Program Memory
Figura 3.3.6
3. Oprimir el botón Write para descargar el código HEX al micro controlador. Al
hacerlo se tiene la siguiente imagen en pantalla.
Nota: cada vez que se importa un archivo HEX al micro controlador el que tenia
anteriormente es sobre escrito por lo que no es necesario borrarlo, pero si fuera
necesario solo se oprime el botón Erase para así limpiar por completo la memoria
del PIC.
3.3.7 Programming Succseeful, cuando se muestra este mensaje el PIC ya
tiene grabado el código en su memoria. Con lo que solo resta alimentar la tarjeta
40
electrónica entrenadora al voltaje de alimentación y checar que el micro
controlador cumpla con su tarea .
Es importante señalar que con este mismo programador se puede alimentar la
tarjeta electrónica teniendo como salida un voltaje de 5V siempre y cuando el
circuito a alimentar no exceda los250mA en consumo de corriente. Para ello solo
se activa la casilla Check en la parte de
VDD Target como se muestra en la siguiente figura:
Si también se tiene activada la casilla /MCLR la aplicación no funcionara dado que
esta casilla corresponde al Master Clear el cual sirve para resetear el PIC.
3.4 Interfaz Bluetooth RN 41-42
La tarjeta entrenadora de Pic´s cuenta con tecnología de interfaz bluetooth este
modulo se conecta a los pines Rx y Tx del microcontrolador para que tengan una
comunicación serial, esto se logra activando la función USART del
microcontrolador .
En seguida de darán detalles de dicho dispositivo.
Bluetooth es un protocolo de comunicaciones bastante aceptado para redes
WPAN (Wireless Personal Area Network, red inalámbrica de área personal),
trabaja en la banda de 2.4GHz, tiene un bajo consumo de energía y su mayor
utilidad es en la transferencia de datos. Los dispositivos bluetooth, figura 3.1, son
muy utilizados en computadoras de escritorio, laptops, PDA´s y teléfonos celulares
entre otros dispositivos.
Figura3.4
Al integrar bluetooth a SATEDU ampliamos el número de dispositivos a los cuales
se puede conectar. Por ello, además de interactuar con computadoras, también
podrá interactuar con PDA´s y teléfonos celulares. Una ventaja de este trabajo es
41
que el Subsistema de Comunicaciones Inalámbricas pasará de usar dos tarjetas a
usar solo una, lo cual contribuye también a reducir el costo del satélite educativo.
Existen muchos dispositivos bluetooth en el mercado pero para las necesidades
de SATEDU se requieren las siguientes características en el circuito:
Pequeño, debido a que las tarjetas que se conectan en SATEDU tienen una
dimensión de 8.9 x 8.9 centímetros.
Económico, siempre es un factor determinante en cualquier proyecto.
Bajo consumo de energía, debido a que SATEDU funciona con baterías.
Montaje superficial.
Fácil de soldar.
Compatible con el puerto serie, puesto que el BUS principal de SATEDU
utiliza este protocolo.
Que tenga un alcance de por lo menos 10 metros; una forma de clasificar
los circuitos bluetooth es por su alcance, potencia de transmisión y
sensibilidad de recepción. Existen clase 1, clase 2 y clase 3, el dispositivo
elegido tiene que ser clase 1 o clase 2 ya que la clase 3 solo tiene un rango
aproximado de operación de un par de metros.
En la búsqueda realizada en esta tesis, se encontraron muchos circuitos bluetooth,
pero algunos no cumplían con todas las características buscadas, principalmente
no eran fácil de soldar y la compatibilidad con el puerto serie era limitada, ya que
solo era compatible con ciertas velocidades de transmisión.
En este capítulo se describe el circuito elegido para la nueva tarjeta del
Subsistema de Comunicaciones Inalámbricas.
3.4.1 Circuito de Interfaz Bluetooth
El circuito elegido para la interfaz bluetooth es el circuito RN-42 de la compañía
Roving Networks, figura 2.5, este es un modem bluetooth de bajo consumo,
económico y que puede añadir capacidad inalámbrica por interfaz bluetooth a
SATEDU. El modem puede tener velocidades de transmisión hasta de 3 Mbps en
distancias menores a 100 metros según datos del fabricante y entre sus
aplicaciones principales tiene la de sustituir cables de tipo serial, que es
exactamente lo que se necesita en este proyecto.
Las características del circuito bluetooth son las siguientes:
Es compatible con la versiones 1.1, 1.2, 2.0 y 2.1 de Bluetooth.
También es compatible con la versión 2.0+EDR lo que permite tener
velocidades de hasta 3Mbps.
Empaquetado pequeño de 13.4mm x 25.8mm x 2mm.
Bajo consumo, con un máximo de 30 mA.
42
Interfaz de conexión de datos con UART (SPP y HCI) y USB (HCI).
Calificado Bluetooth SIG.
Fácil montaje en PCB.
Dispositivo Clase 1:
Hasta 100 metros de distancia.
12 dBm en transmisión.
Sensibilidad de -80 dBm.
Certificado FCC, ICS y CE
Tasas de transmisión desde 1200 bps hasta 921 Kbps.
Frecuencia de operación entre 2402 a 2480 MHz.
Modulación FHSS/GFSK, 79 canales en intervalos de 1 MHz.
Encriptación de 128 bits.
Corrección de errores para garantizar la entrega de paquetes.
Puede crear Piconets y Scatternet.
3.4.2 Arquitectura del Circuito Bluetooth
A simple vista se puede ver un encapsulado y una antena en el circuito
bluetooth. En el datasheet del circuito se encuentra el siguiente diagrama de
bloques, figura 3.4.2:
Figura 3.4.2 arquitectura del circuito de bluetooth
CSR es una compañía que se dedica a diseñar y fabricar dispositivos de radio
en un solo chip para el estándar bluetooth. En la figura 3.4, se muestra el
diagrama bloques del BlueCore-04 External, este chip tiene integrados un
microcontrolador, una memoria RAM, un DSP, interfaz de entrada y salida de
datos con diferentes protocolos, una interfaz de Radio a 2.4 GHz y una
memoria flash externa.
43
Figura 3.4.3 memoria flash
La memoria RAM de 48 Kbytes permite una máxima transferencia de datos y la
interfaz UART puede tener una velocidad de transmisión de 1.5 Mbaud; otras de
sus características son las siguientes:
Memoria flash externa de 8 Mbits.
Bluetooth v2.0 +EDR (se puede actualizar a versión 2.1).
Soporta Piconet y Scatternet.
Puede estar en el mismo ambiente que el estándar 802.11.
Con EDR Bluetooth se pueden transmitir imágenes de 1 Mb en 4 segundos.
Este chip es utilizado para controlar el envío y la recepción de datos, el
microcontrolador se puede reprogramar por medio del puerto SPI y se utiliza
un entorno de desarrollo de CRS.
El balun adapta la impedancia del transmisor con la impedancia de la antena.
El amplificador permite un mayor alcance debido a que es un Bluetooth clase
1 y el switch de RF permite seleccionar entre transmisión y recepción.
44
Figura3.4.4 modulo bluetooth RN42
3.5.1 Detalles de Programación del Circuito Bluetooth
Para la programación del circuito RN-41 se necesita una computadora con bluetooth (integrado o externo) o la conexión del circuito a un puerto serie que tenga la misma configuración que tiene por default. Una vez programada la configuración no cambiará (aunque se desconecte el circuito) hasta que la configuración sea cambiada o se restauren los valores de fábrica, por default la configuración del puerto serie del circuito es el que indica la tabla.
Tabla 3.5 detalles de programación
Lo primero que se tiene que hacer para programar el circuito es hacer el enlace
entre el modulo bluetooth y la computadora, el nombre del circuito es
“FireFlyXXXX”, la mayoría de los dispositivos que utilizan bluetooth requieren
autenticación, el código por default del circuito es “1234”.
Una vez realizado el enlace se le asignará al circuito un puerto COM y entrará en
el modo de datos para envío y recepción de información, para la programación del
circuito se necesita entrar al modo comando.
Para entrar al modo comando se tienen que enviar tres signos de peso “$$$”
desde la computadora a través del puerto serie asignado en los primeros 60
segundos después de encender el modulo, esté responderá con “CMD”, para salir
45
del modo comando se deben enviar tres signos de menos “---” y el modulo
responderá con “END”.
Cada uno de los caracteres enviados debe de estar en código ASCII. Los
comandos validos obtienen “AOK” de respuesta, comandos no validos obtienen
“ERR” y comandos que no se reconocen obtienen “?”. Para enviar los comandos
se requiere el programa HyperTerminal, algún programa parecido o realizar una
aplicación propia.
Todos los comandos son de una o dos letras, no se distingue entre mayúsculas y
minúsculas y están delimitados por una coma. El nombre del circuito y el código
para autenticación distingue entre mayúsculas y minúsculas. Los comandos se
dividen en 5 categorías:
Set Commnads: Almacena información, los cambios no tienen efectos hasta
reiniciar el modulo, ver tabla 3.5.1.
Tabla 3.5.1 Set de comandos
Action Commands: Realiza acciones como búsquedas, conexiones, etc.
En las tablas anteriores se muestran algunos comandos y una breve explicación
de cada uno de ellos pero cabe aclarar que no son todos los comandos; si se
requiere ver otro comando se debe consultar el manual de usuario.
46
La configuración de ciertos parámetros también se puede hacer por medio de un
DIP switch por medio de la interfaz PIO, un uno lógico debe ser de 3 Volts y un
cero debe ser 0 Volts, por medio de esta interfaz se pueden restablecer los valores
de fábrica, ver la tabla 3.5.2.
Tabla 3.5.2 configuracion de parámetros
3.6.1 Dip trace
Este software es utilizado para la elaboracion de los diagramas esquematicos asi
como también para la realización del PCB. A continuación se da una breve
explicación de la características mas primordiales para la elaboracion de un PCB.
DipTrace es un estado-of-the-art sistema completo de diseño de PCB. Incluye:
Diseño de PCB - PCB con un diseño fácil de usar herramientas manuales de
enrutamiento, trazador automático basado en la forma y auto-placer.
Esquema - Captura Esquemática con multi-nivel de la jerarquía y la
exportación de PCB Layout, especias o Netlist.
Patrón de componentes y editores - le permiten hacer piezas nuevas y huellas.
Librerías estándar - incluyen 100.000 piezas +.
Vista previa 3D PCB - muestra el diseño en 3D. Modelos 2500 + paquetes 3D
se suministran con el programa.
Paso a paso Tutorial - Aprende el software y comenzar el verdadero trabajo en
unas pocas horas.
Con todas las funciones durante 30 días y 300 pines versiones gratuitas están
disponibles para su evaluación.
Descuentos especiales para los usuarios sin fines de lucro y la educación .
DipTrace ofrece las siguientes características:
Fácil de aprender la interfaz de usuario
Para diseñar un esquema, sólo tiene que seleccionar y colocar componentes en el
documento y conectarlos entre sí utilizando el cable y herramientas de
autobuses. Esquemas multihoja y jerárquicas son compatibles. A continuación,
seleccione la opción de menú "Convertir a PCB para convertir el esquema para
PCB. Layout se puede actualizar desde esquemática en unos pocos clics en
cualquier momento. Al crear o editar objetos de diseño que se destacan para
47
mejorar su trabajo. Paso a paso tutorialte guiará a través del proceso de diseño y
permite empezar a trabajar con facilidad.
Las funciones inteligentes de colocación y la colocación auto-
Después de la conversión Esquema de diseño de PCB, tablero lugar delinear y
ordenar los componentes. A continuación, utilice la "colocación de lista" de los
chips / conectores y auto-colocación de otros componentes para obtener un
resultado aceptable en pocos minutos y empezar de enrutamiento.
Fácil de usar enrutamiento automático y manual de gran alcance
PCB DipTrace software incluye 2 routers automáticos (Forma y basado en la red
basada en-). Router forma es capaz de diseños de ruta compleja con
componentes SMD así como tableros de una sola capa. Router Grid también se
puede hacer de una sola capa con placas de cables de puente. Con specctra DSN
/ SES interfaz puede utilizar trazador automático externo basado en la forma o
topológico. Manuales inteligentes herramientas de trazado le permite crear y editar
trazos en un 90, 45 grados o sin ninguna limitación. Trazas curvas son
compatibles. A través de, vías ciegas enterrados o se puede utilizar en automático
y el enrutamiento manual. Tamaño de la placa no está limitado.
Funciones avanzadas de verificación
Esquema de diseño de PCB y los módulos tienen varias características que
ayudan a la precisión de verificación de control de proyectos en diferentes etapas
de diseño: la función de ERC muestra los posibles errores en las conexiones de
pines esquema utilizando las reglas definidas y le permite corregir errores, paso a
paso. Función DRC comprueba la distancia entre los objetos de diseño, el tamaño
mínimo de los tiros, y los ejercicios. Los errores se muestran gráficamente y se
pueden fijar paso a paso y volver a ejecutar la RDC en un clic después de las
correcciones. Compruebe la conectividad de red verifica si todas las redes de PCB
están conectadas eléctricamente. Esta función utiliza las huellas, cobre verter
zona llena y las formas de control de la conectividad, que comunica las redes rotas
y se combina con los detalles de la zona. Comparando con el esquema permite
comprobar si el enrutado de PCB es idéntico al Esquemático.
Creación de sus propias bibliotecas
Editores de componentes y patrones permiten diseñar sus propios símbolos y
modelos. Para crear componentes completos simplemente conectarlas entre sí
mediante el Editor de componentes.
48
3.7.1 Diseño de la tarjeta
En este punto se da una breve explicación sobre los circuitos q se van a construir.
El proyecto que se va a implementar, como ya se ha mencionado es un
entrenador para el pic 16F877A, el mismo que contendrá algunas aplicaciones
para probar su funcionamiento.
El entrenador dispondrá de:
Una comunicación serial via bluetooth
Una pantalla de cristal liquido (LCD)
Una etapa de potencia.
leds indicadores del puerto B.
Todas estas etapas funcionaran unas dos tarjetas ya que la tarjeta de potencia fue
construida independiente para poder ser acoplada
A continuación se muestra una imagen donde se muestra una distribución general
del pic.
Figura3.7.1 conexión del reset general, oscilador y módulos de
programación.
Para la alimentación de la tarjeta se usara una fuente de voltaje de CD que será
regulada a 5vcd con un 7805.
Fig 3.7.2. Diagrama de fuente regulada a 5 volt
49
3.8.1 Etapa de potencia
Para el acoplamiento de las señales digitales del puerto B a la etapa de potencia
se dispondrá de algunos elementos como son transistores, optoacopladores y
relevadores que trabajar con una fuente de voltaje de 12vcd para que puedan
funcionar correctamente.
Muchos sistemas digitales controlan a otros sistemas o
realizan funciones de control tales que deben ser interconectados a una etapa de
manejo de potencia, con base en TIRISTORES (triacs, SCR, etc.) para actuar
sobre cargas resistivas o inductivas en sistemas de iluminación, o en procesos
industriales o en control de velocidad de motores, entre otros.
El manejo de potencia, es decir la manipulación de altas corrientes, de hasta
varios centenares de amperios, implica el tener consideraciones de
seguridad eléctrica para los operarios y de protección para el sistema digital.
Es deseable que la interconexión entre ambas etapas (la digital y la de potencia)
se haga por un medio de acoplamiento que permita aislar eléctricamente los dos
sistemas. Esto se puede lograr con los dispositivos llamados
OPTOACOPLADORES, mediante los cuales se obtiene un acoplamiento óptico y,
al mismo tiempo, un aislamiento eléctrico. Por ello también se les conoce como
OPTOAISLADORES. El acoplamiento se efectúa en el rango del espectro infra-
rojo a partir de dispositivos emisores de luz, usualmente IRED (infra-rojo) LEDs
(diodos emisores de luz), actuando como emisores y utilizando dispositivos
detectores de luz (optodetectores), actuando como receptores.
La razón fundamental para llevar a cabo acoplamiento óptico y aislamiento
eléctrico es por protección de la etapa o sistema digital ya que si ocurre un corto
en la etapa de potencia, o cualquier otro tipo de anomalía eléctrica, el
OPTOACOPLADOR protege toda la circuitería digital de control. El sistema digital
puede variar entre un sistema discreto o un sistema de mayor integración (en
escalas SSI, MSI, VLI o VLSI) o un sistema integrado programable a nivel
de memorias o a nivel de dispositivos programables "inteligentes"
(microprocesadores, microcontroladores, dispositivos lógicos programables,
arreglos lógicos programables, controladores lógicos programables o
computadores).
50
Figura3.8.1. Etapa de potencia de entrenador de pic
3.9.1Elaboracion del PCB.
Para la realización del PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD ), se utilizara la ayuda
del programa DIP TRACE.
Para comenzar se deben tener los esquemáticos o diagramas eléctricos de las
distintas etapas como se menciono anteriormente, una vez teniendo todos los
esquemáticos y asegurándose de que todas las conexiones estén bien realizadas
y que el esquema se ha dibujado o diseñado en papel corresponde con el que se
pretende realizar, se procederá a obtener el diseño del PCB. Y para ello se
ingresa en la sección de file Convert to PCB para que abra el editor del PCB
Figura. Importacion de esquematico a PCB.
51
Como se puede observar en la figura anterior cuando se convierte el esquematico
a PCB todo los componentes salen desalineados y en desorden ya que el
software nos brinda la facilidad de poder ordenarlos a las necesidades de cada
usuaria puesto que las aplicaciones con variadas.
Para comenzar a alienar y poner en orden cada uno de los elementos se puede
realizar de dos formas distintas una que es manual y otra es que el propio
software los acomode, este ultimo no es muy recomendable ya que el DIP
TRACE trata de reducir espacio e eso complica el ruteo de todas las vías y pads.
Pero la instrucción para que lo haga automáticamente es la de component
arrange vea la siguiente figura para ver ejemplo.
Figura. Instrucción component arrange
3.9.2 Ruteo de las vías
Como se observa no es recomendable esta instrucción ya que los elementos no
son colocados de acuerdo al circuito que se tiene planeado realizar.
Es por ello que la mejor forma de colocarlos es de forma manual, pero esto atrae
una desventaja la cual es que lleva demasiado tiempo en realizarlo.
A continuación se muestra el ruteo manual y las pistas de las dos caras llamada
TOP (vista superior), BOTTOM (vista inferior).
Figura.3.9.2 Ruteo de Vista Top.
52
Como se puede observar en la figura esta vista es la parte superior de la
entrenadora además de que se observan todos los dispositivos así como sus
pines de conexión.
En la vista inferior se muestra como quedan las vías o las pistas por debajo de la
entrenadora, vea la siguiente figura.
Fig.3.9.3 Ruteo de Vista Bottom
De esta forma es como queda la entrenadora del ruteo final y lista para la
impresión a la tarjeta.
3.10.1 Elaboración del circuito impreso.
Una vez realizado el diseño del PCB lo siguiente es realizar el circuito impreso, y
para ello se necesitaran los siguientes materiales:
1 placa de baquelita de dos caras de cobre.
1 lija de metal # 500.
Papel couche para la transferencia del PCB a la baquelita.
Cloruro férrico.
Taladro.
Cautín.
Recipiente de plástico, no metálico.
Para la fabricación del circuito impreso se deberán seguir algunos pasos.
53
PASO 1: preparación de la placa la placa esta debe ser cortada a la medida
exacta del diseño realizado, y debe ser lijada por sus dos caras para quitar un
reducir un poco el cobre.
PASO 2: obtención del circuito impreso en la placa y perforación de la misma.
Para la obtención del as pistas se deberá imprimir el circuito del PBC en una
impresora laser o de tóner en el papel couche, una vez realizada dicha operación
se procede al transferir dicho impreso en la baquelita de cobre realizándolo por la
técnica de planchado, es decir se colocara el impreso en una cara de la baquelita
de cobre y utilizando una plancha común y corriente se aplicara calor directamente
al papel para que el diseño de la tarjeta quede impreso en una cara de tablilla.
El siguiente proceso de este paso es quitar el papel con suma precaución ya que
si se retira demasiado rápido las pistas o vías se desprenderán del cobre, una
recomendación para quitar el papel es bajo el chorro de agua ya que facilita el
desprendimiento y no daña las pistas véase la siguiente figura.
Figura 3.10.1obtencion de circuito impreso en baquelita
Una vez concluido este proceso la tarjeta debe ser sumergida en el cloruro férrico
para desprender todo el cobre sobrante de la tablilla.
54
Figura 3.10.2 Vista bottom del PCB.
Figura 3.10.3 Vista top del PCB
55
Capitulo 4 Aplicación y validación de la propuesta De mejora. 4.1 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La realización del proyecto ha favorecido significativamente los resultados del
centro de sus actividades que incluyen la investigación de desarrollos
tecnológicos e innovación proyectos. Debido a la motivación y aceptación por
parte de los estudiantes del plantel así como de los docentes y autoridades que se
encuentran laborando dentro de las instalaciones el proyecto de la tarjeta
entrenadora tuvo un impacto tal que los propios estudiantes desean armar su
propia tarjeta entrenadora.
Esto da como resultado impulsar la investigación dirigida a aéreas especificas y
prioritarias para el alcance de la competencias requeridas por la institución,
además de que se fomenta una mayor comunicación y divulgación acerca de todo
lo relacionado con la ciencia y la tecnología.
Para el logro de los puntos antes mencionados se hizo uso de muchas
herramientas ya que el proyecto consta de distintas etapas.
Durante la etapa de programación y puesta a punto del sistema, se utilizaron
básicamente las herramientas MPLAB, que incidieron considerablemente en la
obtención de los objetivos trazados. Estos programas fueron desarrollados para el
trabajo con microcontroladores, y además de su facilidad de programación y uso,
tienen la ventaja de complementarse facilitando el desarrollo de las aplicaciones.
Para la etapa de diseño de la propia tarjeta entrenadora, el software diptrace es
un entorno integrado diseñado para la realización completa
de proyectos de construcción de equipos electrónicos en todas sus etapas, es
decir, diseño, simulación, depuración y construcción. Sus reconocidas
prestaciones lo han convertido en el programa simulador más empleado en
microcontroladores PIC, por encima de las herramientas que oferta el propio
fabricante.
En este caso se empleó en mayor medida el entorno de diseño gráfico diptrace
eschematic para esquemas electrónicos, que es extremadamente fácil de utilizar
y está dotado de poderosas herramientas para viabilizar el trabajo del diseñador
en combinación con MPLAB IDE. La utilización de ambas herramientas
proporciona un porcentaje elevado de certeza de su correcto funcionamiento, lo
cual ofrece gran confianza para pasar al proceso de grabación y montaje de todas
las etapas con las que cuenta la entrenadora.
56
Capitulo V
COSTO BENEFICIO
5.1 Costo beneficio del proyecto.
Para realizar una estimación del costo beneficio del proyecto, de han dividido
los gastos del mismo en algunas etapas:
Recursos de software y programador: software y programación para llevar a
cabo la realización del proyecto pero que no forma parte constituyente de él.
Componentes y fabricación del PCB: Costo de los componentes del circuito
impreso y la fabricación del mismo.
Recursos humanos: mano de obra necesaria para realizar el proyecto.
El programador de la serie microprogramdor usb es similar al PICKIT de la
empresa de microchip a diferencia de este, el microprogramador usb es de
menor coste ya que fue realizado por Ingenieros Mexicanos.
Concepto Costo
Microprogramador usb $ 450 MNX
Tabla 5.1 costo de programador
El costo de los componentes y la fabricación del pcb, según el diseño
especificado, estos costos estan compuestos por diversos costos de creación
de los diseños y los impresos para la realización del PCB, además de los
elementos y circuitos eléctricos y electrónicos que se montaron dentro del
diseño implementado.
Estos costos de pueen visualizar en la siguiente tabla (vér tabla 3).
Concepto Cantidad Precio unitario
Dado en pesos
mexicanos
Precio total
Dado en pesos
mexicanos
Resistencias 33 $1 peso $33 pesos
Condensadores 2 $.80 $1.60
Cristal de 4Mhz 1 $8.10 $8.10
Push button 1 $1.20 $1.20
Leds 10 $1.50 $15
LCD 16x2 1 $130 $130
Pic 16f877A 1 $93 $93
57
Regulador 7805 1 $15 $15
Relevador
12VCD
4 $25 $100
Tip 41 4 $10 $40
2n2222A 4 $8 $32
PCF 827 2 $14 $28
RN-41 1 $600 $600
Fenolica 2 $60 $60
total $1156
Tabla 5.1.1 costo de la fabricación de la tarjeta.
5.1.2 Costo del recurso humano
Los recursos humanos para este caso se lo acreditara a la elaboración del
circuito impreso, ya que esta parte no fue elaborada de la manera directa por
las personas dedicadas al presente proyecto, las mismas que la mano de
obra directa, no la están evaluando como costos adicionales, dicho de otro
modo este se costea en horas. Ver tabla 5.1.2.
Concepto Horas
Diseño de PCB 24 horas
Tabla5.1.2 de costo de recurso humano.
5.1.3 Beneficio de innovación
Valor de innovación y nueva tecnología
La innovación tecnológica afecta el modo en que una institución realiza su trabajo,
cambia los objetivos estratégicos e incluso cambia el los puntos de vista de la
propia institución así como de los estudiantes. Esta técnica considera el costo y el
riesgo de innovar, atrae la incorporación de nuevas tecnologías.
Pero la Incorporación de nueva tecnología como es el caso de la tarjeta
entrenadora de para la programación de microcontroladores puede incrementar
los costos o disminuirlos,
Dependiendo del costo de la nueva tecnología en comparación con el del sistema
al que reemplaza. La nueva tecnología también puede acarrear beneficios no
monetarios, como mejoras en la prestación del servicio o en la transparencia. Es
58
conveniente realizar una evaluación en términos de costo-efectividad y de los
potenciales beneficios como es el claro aprendizaje además de alcanzar la
competencia requerida por la Institución educativa además de que se
complementa ya que la competencia no hace mención de la construcción de PCB
y acoplamiento de nuevas tecnologías e interfaces para la solución de
problemáticas presentadas dentro del sector productivo y en la vida cotidiana.
La ventaja que genera la innovación en tecnología perdura hasta que los
estudiantes adoptan la misma tecnología, con la ventaja de no haber tenido que
experimentar y aprender de los propios errores por lo que es importante
considerar la ventaja temporal entre que se implanta la
nueva tecnología y el momento en que los alumnos la adoptan. En ese período es
que el sector productivo debería capitalizar la inversión.
Por lo tanto para tener éxito en la innovación se deben gestionar de distinta forma
aquellos proyectos alineados a la estrategia actual de la enseñanza hacia aquellos
que generan cambios con un impacto visualizado en el aprendizaje.
Esta tarjeta entrenadora puede parecer costosa en la etapa de implantación, pero
puede ahorrar Tiempo y dinero a un largo plazo, especialmente cuando se
encuentra una solución tecnológica de bajo costo para remplazar a una aplicación
costosa y de baja tecnología.
Muchas soluciones tecnológicas digitales pueden representar costos
significativamente mayores que los procedimientos analógicos a los que
reemplazarían.
No siempre es recomendable incorporar nueva tecnología cuando mejoras
relativamente menores no justifiquen los costos adicionales.
59
Conclusiones.
Una de las ventajas de esta tarjeta entrenadora es que brinda una
versatilidad, ya que si no se desea usar ninguna de las etapas construidas, se
pueden utilizar de forma independiente todos los puertos de E/S para
cualquier aplicación que se desee.
Esta tarjeta fue construida de forma que las etapas con las que costa puedan
ser utilizadas de forma independiente como ya se ha menciono o en
conjunto, como es el caso de la pantalla LCD, el modulo de comunicación
serial ó la etapa de potencia.
Otra de las tecnologías agregadas y que es importante mencionar es la etapa
de comunicación serial en base a un modulo de bluetooth especial para
microcontroladores. Esta etapa nos permite comunicarnos de de forma
inalámbrica ya que la mayoría de las veces esta comunicación es por medio
cables.
El modelo construido es de fácil entendimiento para todos los usuarios,
puesto que es un modulo entrenador, además son puramente didácticos.
Con la ayuda de esta tarjeta entrenadora tiene la factibilidad de aprender a
programar microcontroladores además de que satisface la necesidad
primordial para la cual fue diseñada, y es que los alumnos alcancen una
competencia satisfactoria para algunas de las materias que se les imparten
además de que contribuye a la actualización de sistemas digitales no solo
para los alumnos sino también para los docentes que imparten la materia de
micros e interfaces. Como se menciono es una tarjeta modular, y por lo tanto
si se le diseña una modulo adicional se le puede acoplar fácilmente debido a
los conectores verticales que han sido integrados.
60
Anexos
Anexo 1a.
Nombre pin Pin Descripción RA0/AN0 2 E/S Digital o Entrada análoga 0. RA1/AN1 3 E/S Digital o Entrada análoga 1. RA2/AN2 Vref - 4 E/S Digital o Entrada análoga 2. RA3/AN3/Vref + 5 E/S Digital o Entrada análoga 3. RA4/T0CKI 6 Bit 4 del puerto A (E/S bidireccional ). También se usa como entrada de reloj al
temporizador/contador TMR0. Salida de colector abierto. RA5/SS/AN4 7 E/S Digital o Entrada análoga 4. También lo usa el puerto serial síncrono. RB0/INT 33 Bit 0 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL/ST. También se usa como
entrada de interrupción externa (INT). RB1 34 Bit 1 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL RB2 35 Bit 2 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL RB3/PGM 36 Bit 3 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL (Programación en bajo
voltaje) RB4 37 Bit 4 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL. Interrupción por cambio
del pin. RB5 38 Bit 5 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL. Interrupción por cambio
del pin. RB6/PGC 39 Bit 6 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL/ST. Interrupción por
cambio del pin. Entrada de reloj para programación serial. RB7/PGD 40 Bit 7 del puerto B (E/S bidireccional). Buffer E/S: TTL/ST. Interrupción por
cambio del pin. Entrada de datos para programación serial. RC0/T1OSO/T1CKI 15 E/S Digital. Salida del oscilador Timer 1 o entrada de reloj Timer 1. RC1/T1OSI/CCP2 16 E/S Digital. Entrada del oscilador Timer 1. Entrada Captura 2; Salida Compara
2; Salida PWM 2 RC2/CCP1 17 E/S Digital. Entrada Captura 1; Salida Compara 1; Salida PWM 1 RC3/SCK/SCL 18 E/S Digital. Línea de reloj serial asíncrono en el modo SPI y el modo I²C RC4/SDI/SDA 23 E/S Digital. Línea de datos en el modo SPI o en el modo I²C RC5/SDO 24 E/S Digital. RC6/TX/CK 25 E/S Digital. Transmisión asíncrona (USART) o reloj síncrono (SSP). RC7/RX/DT 26 E/S Digital. Recepción asíncrona (USART) o línea de datos (SSP). VDD 11,32 Voltaje de alimentación DC (+) VSS 12,31 Referencia de voltaje (GND).
MCLR 1 Entrada de RESET al microcontrolador. Voltaje de entrada durante la
programación. En nivel bajo resetea el microcontrolador. OSC1/CLKIN 13 Entrada oscilador cristal oscilador / Entrada fuente de reloj externa. OSC2/CLKOUT 14 Salida oscilador cristal. Oscilador RC: Salida con un ¼ frecuencia OSC1 RD0/PSP0 19 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD1/PSP1 20 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD2/PSP2 21 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD3/PSP3 22 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD4/PSP4 27 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD5/PSP5 28 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD6/PSP6 29 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RD7/PSP7 30 E/S Digital. Puede ser puerto paralelo en bus de 8 bits. RE0/RD/AN5 8 E/S Digital. Puede se pin de lectura (read) en modo microprocesador. RE1/WR/AN6 9 E/S Digital. Puede ser pin de escritura (write) en modo microprocesador.
RE2/CS/AN7
10 E/S Digital. Puede ser pin de selección de chip (chip select) en modo
microprocesador.
61
ANEXO 1.b
Programa demo
;; PROGRAMA QUE REALIZA UNA SECUENCIA TEMPORIZADA ;;
;;CON APLICACION A MOTORES DE DE C.A ;;
LIST P = 16F877A
#INCLUDE<P16F877A.INC>
__CONFIG _CP_OFF & _WDT_OFF & _PWRTE_ON &
_BODEN_OFF & _HS_OSC & _LVP_OFF
VAR_1 EQU 0X7F
VAR_2 EQU 0X7E
VAR_3 EQU 0X7D
VAR_4 EQU 0X7C
VAR_5 EQU 0X7B
ORG 0X0000
GOTO INICIO
ORG 0X00004
INICIO
;SELECCIONA BANCO 1
BSF STATUS,RP0
BCF STATUS,RP1
MOVLW H'FF'
MOVWF TRISB ;PORTB COMO ENTRADAS
CLRF TRISC ; PORTC COMO SALIDAS
;SELECCIONA BANCO 0
BCF STATUS,RP1
BCF STATUS,RP0
PROGRAMA
BCF PORTC,5
BSF PORTC,7
MOVLW D'2'
MOVWF VAR_3
SECUENCIA
62
BTFSC PORTB,0 ;START
GOTO PRENDE
GOTO SECUENCIA
PRENDE
BTFSS PORTB,0
GOTO PRENDE
MOTOR_1
BSF PORTC,0 ;ON MOTOR 1
CALL RETARDO
BCF PORTC,0
CALL RETARDO
GOTO MOTOR_2
MOTOR_2
BSF PORTC,1 ; ON MOTOR 2
CALL RETARDO
BCF PORTC,1 ;APAGA MOTOR 2
CALL RETARDO
GOTO MOTOR_1
BSF PORTC,2 ; ON MOTOR 3
CALL RETARDO
BCF PORTC,2 ; OFF MOTOR 3
BCF PORTC,6
CALL RETARDO
BCF PORTC,1 ; OFF MOTOR 2
;BSF PORTC,6
CALL RETARDO
BCF PORTC,0 ; OFF MOTOR 1
BCF PORTC,6
CALL RETARDO
DECFSZ VAR_3,F
GOTO PRENDE
GOTO PROGRAMA
STOP
BTFSC PORTB,1 ;STOP
GOTO STOP
GOTO PROGRAMA
APAGA
63
CLRF PORTC
BSF PORTC,6
GOTO SECUENCIA
RETARDO
MOVLW D'10'
MOVWF VAR_5
TIEMPO
MOVLW D'5' ;50
MOVWF VAR_4
OTRO
MOVLW D'255' ;200
MOVWF VAR_2
ESPERA
MOVLW D'255' ;255
MOVWF VAR_1
TARDE
BTFSC PORTB,1 ;STOP
GOTO PROGRAMA
DECFSZ VAR_1
GOTO TARDE
DECFSZ VAR_2
GOTO ESPERA
DECFSZ VAR_4
GOTO OTRO
DECFSZ VAR_5
GOTO TIEMPO
RETURN
END
64
BIBLIOGRAFIA
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2013].
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