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6 CAPITULO I 1.1 Introduccion Los sistemas digitales han logrado avanzar a tal grado que en la actualidad se pueden alcanzar logros que alguna ves solo fueron en los sueños, de forma que ahora se pueden realizar diferentes tarea complejas en lapsos de tiempo relativamente menor al que se necesitaba para algunas tareas en el pasado, una de ellas es gracias a la aparición de microcontroladores (PIC). En todo el planeta ocurren fenómenos físicos que en algunas de las situaciones necesitamos comprender de diferente manera o tal vez necesitamos controlar, por ejemplo, la temperatura de una habitáculo, paso de alguna persona o de la intrusión de un objeto, etc. para lo cual se pueden utilizar una multitud de elementos electrónicos que combinados nos llevan a mejorar la vida y agilizar procesos 1.2 Objetivos Nuestro principal objetivo es desarrollar un sistema de seguridad fiable que cubra todos los aspectos más importantes de seguridad en el museo de ciencias zigzag de Zacatecas. Para lo cual haremos una maqueta con los elementos principales que llevara el museo en caso de que así lo solicite, el cual contara con los siguientes elementos, sensores magnéticos, sensor de humo, sensor de rompimiento de cristales, sensor de temperatura con su respectivo extractor, sensor de movimiento, sensor infrarrojo y chapa eléctrica la cual contendrá un display y un teclado para manejar la alarma. 1.3 Justificacion El motivo por el cual se pretende desarrollar un sistema de seguridad para este museo, es principalmente porque este no cuenta actualmente con ningún tipo de sistema de seguridad electrónica, ya que este cuenta con equipo en exhibición e interacción algunos de alto costo, lo cual justifica la implementación de monitoreo y en algunos casos de proteger, una o varias salas. 1

7 CAPITULO II En este capitulo se encuentran las características de debe cumplir un museo en cuanto a seguridad y protección y algunos detalles de cada uno de los componentes electrónicos del sistema de alarma que se utilizan en algunos museos. CAPITULO III En este capitulo se pretende mostrar las características del PIC que se usara en este caso que es el PIC 16f877, así como posibles aplicaciones que tiene este, así como diferenciar entre microcontrolador y microprocesador CAPITULO IV En este capitulo se muestran las entradas y salidas del PIC 16f877, así como los componentes que va a contener cada una de las entradas y salidas ya que como en este caso será la aplicación para una alarma, se tendrán entradas y salidas CAPITULO V Con formato: Fuente: Negrita, Español (México) En este capitulo se da una pequeña introducción al software NIPLE que se uso para la programación del PIC, ademas del manual de operación del sistema de alarma. Con formato: Justificado, Interlineado: sencillo CAPITULO VI Este capitulo contiene toda la programación que se hizo mediante diagramas de flujo. 2 Con formato: Español (México)

8 CAPITULO II.- STEMAS DE SEGURIDAD 2.1 Seguridad en el museo Un Museo, como entidad depositaria responsable de la salvaguarda, preservación y divulgación del patrimonio de una comunidad, debe encarar con responsabilidad el aspecto de seguridad de su acervo cultural. La pérdida o destrucción de cualquier material histórico, artístico o científico significaría siempre un perjuicio para toda la comunidad. De una manera general la seguridad aplicada a los Museos implicará: Prevención en la construcción de edificios Protección contra incendios Protección contra robos Protección contra vandalismo Sistemas de seguridad y vigilancia 2.2 Dispositivos tecnicos de seguridad La importancia y efectividad de los sistemas de detección ha sido reconocida y su tecnología se ha desarrollado hasta el punto de poder, en muchos casos, ser Regulados a distintos tiempos de respuesta. Para decidir el tipo de detectores a instalar, el Museo debe siempre tener en cuenta los objetos bajo su protección y su situación económica, a fin de seleccionar el sistema o equipo más efectivo en relación a su costo. Para la seguridad antes mencionada se tienen los siguientes dispositivos 3

9 Detectores de humo. Sensores magnéticos. Detector de movimiento. Cámaras de video. Cámaras de visión nocturna. Alarma contra incendio Detectores de humo Uno de los artefactos más importantes para la prevención de incendios en los museos es el detector de humo. Luego de volverse comunes a principios de la década de 1970, la venta de los detectores de humo aumentó rápidamente y el precio bajó, de manera que para el año1991, el 88 % de los museos en Estados Unidos tenía por lo menos uno, en cada sala y podían comprarse por menos de diez dólares. Varios estudios han determinado que cuando hay instalados detectores de humo, que funcionan, la probabilidad de morir a causa de un incendio se reduce a la mitad. Los detectores de humo actualmente instalados han salvado miles de vidas, aunque persisten varios problemas. Primero, el 12 % de los museos sin dichos detectores registra más de la mitad de los incendios; segundo, se estima que un tercio de los detectores de humo instalados no están funcionando, con frecuencia por la falla de no cambiar la batería gastada; y tercero, muchas son los museos que no tienen la cantidad de detectores de humo que se precisan para proteger adecuadamente a los visitantes del museo. 4

10 2.2.2 Sensores magneticos El censor consta de dos partes, emisor y receptor. El emisor es básicamente un potente imán el cual constantemente genera un campo electromagnético por lo que no necesita de cables y el receptor es un tipo de switch normalmente abierto que se activa por medio de un campo electromagnético. El emisor se coloca en una orilla de la parte externa de la puerta y el receptor se coloca en una parte de la orilla del marco de la puerta de tal manera que al estar cerrada el receptor quede de forma paralela y lo mas cercano posible al emisor. Le permiten tener controlado el perímetro del museo mientras usted no esta dentro. De esta forma el sistema vigilara las puertas y ventanas mientras duerme o cuando alguien no se encuentra cerca y pueda avisar de alguna intrusión. También le sirven para marcar e indicar el estado de las puertas y ventanas al salir, de esta forma no volverán a quedarse abiertas las ventanas del museo cuando no se encuentre en el Detector de movimiento La función de un detector de movimiento, como dice su propio nombre, es la de detectar cualquier cosa o persona en movimiento. Se encuentran, generalmente, en sistemas de seguridad o en circuitos cerrados de televisión. El sistema puede estar compuesto, simplemente, por una cámara de vigilancia conectada a un ordenador, que se encarga de 5

11 generar una señal de alarma o poner el sistema en estado de alerta cuando algo se mueve delante de la cámara. Aunque, para mejorar el sistema se suele utilizar más de una cámara, multiplexores y grabadores digitales. Además, se maximiza el espacio de grabación, grabando solamente cuando se detecta movimiento. Un algoritmo que compara la imagen actual con una de referencia y, posteriormente, cuenta los píxeles en que difieren las dos imágenes, es una forma sencilla y eficiente de detectar movimiento. Aunque los algoritmos que se emplean son más complejos, debido a que lo explicado anteriormente lleva problemas cuando la cámara que registra no se encuentra fija o cuando se producen otros cambios, como por ejemplo, de iluminación Cámaras de video Las cámaras son cada vez más resistentes, pequeñas, sensibles y más baratas que antes. Imágenes tomadas pueden retransmitirse de diversas maneras y a la inversa, la cámara puede ser manejada a distancia. Para el transporte de imágenes se puede usar todo lo que pueda transportar datos digitales: (coaxial) cables, fibra óptica, la línea telefónica normal, ISDN, teléfono de autos, radio de bolsillo, emisores/receptores y para distancias cortas es apropiada actualmente hasta la luz infrarroja. También pueden ser usados a veces, cables que se conectan al televisor. Ahora los museos se envían mensajes de ida y vuelta a través de las (partes no visibles) de determinadas frecuencias de TV. Las cámaras pueden ser conectadas a computadoras y a diversos sistemas high - tech (de alta tecnología) de manera que se pueda hacer más con la información de las imágenes. 6

12 2.2.5 Cámaras de visión nocturna Antes no era posible ver en la oscuridad. Gracias a la invención del amplificador de luz residual y el visor infrarrojo, es posible actualmente. Al principio la calidad de la imagen no era óptima. Podía ocurrir alguna vez que se viera en la pantalla una mancha gris en el lugar en que se suponía que debería verse la cara del asaltante del Banco. Y todavía sucede a veces. Sin embargo, actualmente hay aparatos que pueden fotografiarte o filmarte muy bien aunque tú no veas casi nada. Existen dos tipos de cámaras infrarrojas: las activas. las pasivas. La cámara activa emite luz infrarroja a través de un reflector, cuya apariencia es la de un disquete negro o rojo pálido que está sobre la cámara o en otro sitio. Así como no todos los sonidos son audibles para el oído humano, tampoco todos los tipos de luz son visibles a nuestros ojos. La luz infrarroja no puede verse sin Medios auxiliares especiales. Bajo el término de cámara infrarroja pasiva entendemos la cámara que reacciona al calor. El funcionamiento de la misma está basado en el hecho de que objetos con una temperatura entre 0 y 40 grados Celsius (quizás entre ellos tu propio cuerpo) "emiten" calor dentro de la zona infrarroja. Una moderna cámara infrarroja pasiva que registra diferencias térmicas hasta 0,01 grado, convierte el calor en imagen visible para la gente. De ese modo no puede ser reconocible un patrón térmico determinado; las superficies calientes aparecen como lugares iluminados, las frías como oscuros. Con la ayuda de una cámara de ese tipo se puede determinar cuántas personas hay presentes en un recinto cerrado y cuáles son sus siluetas. En principio, todo lo que tiene que ver con diferencias de temperatura, puede ser registrado. Lo que no quita que la imagen construida por la cámara, pueda ser interpretada erróneamente. 7

13 Si el detector térmico de este tipo de cámara tiene aproximadamente la misma temperatura que el objeto buscado, la misma no funciona. Por eso el detector de las mejores se enfría hasta cerca de los -200 grados Celsius Alarma contra incendio Un sistema para museos de alarma para incendios generalmente forma parte de un sistema completo de seguridad que ofrece, además de protección contra los incendios, protección contra robos. Dicho sistema vigila las puertas, ventanas y todos los espacios del museo por donde pueden entrarse a dicho museo, y puede brindar servicio de vigilancia marcando su número de teléfono para informar sobre un incendio o reportar a un intruso a una oficina de seguridad de donde se lo comunicarán al departamento de policía o al departamento local de bomberos. Dado su costo relativamente alto, esos sistemas por lo general se encuentran solamente en las casas grandes. El instalar esos sistemas puede costar dólares o más, y los servicios de vigilancia de 24 horas cuestan entre 15 y 20 dólares al mes. 2.3 Componentes del sistema Esos sistemas constan de un panel central de control, al que están conectados los detectores de humo y los detectores térmicos, y campanas y bocinas que suenan cuando se activa el sistema. Otros sensores relacionados con los robos, conectan las puertas y ventanas, o vigilan los cuartos para detectar movimientos o el calor del cuerpo humano. El panel de control opera con la electricidad de la casa, pero también tienen una batería de emergencia que puede operar el sistema por 24 horas durante un corte del servicio eléctrico. 8

14 Los requerimientos básicos para la cantidad y la ubicación de las alarmas son exactamente los mismos que para los detectores individuales que mencionamos antes. La diferencia es que un sistema de alarma contra incendios le permite más flexibilidad para colocar alarmas adicionales y campanas o bocinas adicionales (o luces intermitentes, si es que alguna persona en la casa tiene dificultades para escuchar). Los sistemas de alarma para incendios que ofrecen servicios de supervisión a distancia, también se pueden usar para servicios de alerta médica. En ese caso, una persona con problemas de salud, que vive sola, carga un radio transmisor que puede activar el sistema en caso de que necesite ayuda. Las señales recibidas en la estación de vigilancia se identifican por el tipo (incendio, robo, alerta médica), para poder prestar la ayuda adecuada. 2.4 Propuesta de control de seguridad en el museo de ciencias Este es el tema de nuestra tesis por lo que nosotros proponemos lo siguiente. En el caso especifico del museo de ciencia zig-zag, el cual es un museo de ciencias dedicado a la comprensión del niño a comprender fenómenos naturales sencillos ubicado en donde era PEMEX en el centro de la ciudad de Zacatecas. Se propone implementar un sistema de seguridad en el cual se tiene planeado utilizar un tablero de 16 dígitos para introducir una contraseña y si es necesario cambiarla desde el mismo teclado sin necesidad de reprogramar el PIC, teniendo un display para poder observar en todo momento el estado del sistema de acceso, además de sensores de movimiento, de temperatura, y de incendio. Todos los sensores que se manejen tanto de movimiento, de humo y de temperatura serán controlador por el PIC, se propone usar el PIC16F877 Por lo tanto consideramos que este sistema de acceso junto con la alarma de incendio y la alarma de detección de movimiento tenemos un buen sistema de seguridad, así como el control de temperatura que también estará monitoreado y controlado por el PIC. Este sistema de temperatura se conforma principalmente del sensor LM35 y un extractor de aire. El sistema de video-vigilancia esta compuesto por las cámaras de video que sean necesarias un software y una PC, teniendo ventajas también de detección de movimiento y 9

15 almacenamiento en disco duro de los videos cuando se registre algún movimiento, de la misma manera pudiendo reproducir una alarma sonora en la PC Museo de ciencias zig zag Dentro de las instalaciones del museo se encuentran 7 edificios con material interactivo y de exhibición, de las cuales ninguna cuenta con equipo de seguridad tales como los que se mencionan al principio de este capitulo, a continuación se muestran algunas imágenes en general del museo y sus instalaciones, junto con el plano donde se puede observar la ubicación de cada uno de los edificios, cave mencionar que cada edificio cuenta con su nombre de acuerdo a cada tema relacionado a su destino. 10

16 5 P OLOS Y CARGAS AGUA Y AIRE 4 1 NZAC 2 PIN PON 6 MASMES 3 ACCION Y REACCI ON 7 VIE NEVA VISTA DE PLANTA DE LAS INSTALACIONES DEL MUSEO 11

17 2.4.3 Edificio no. 1 N zac En esta sala aunque se encuentra con poco equipo este tiene tres pantallas de plasma que ya su calidad y elevado costo seria conveniente tomarla en cuenta y seria una de las salas que llevase más censores de movimiento enfocadas hacia las pantallas y otro a una PC de escritorio que se encuentra en la misma sala. 12

18 2.4.4 Edificio no. 2 pin pon En esta área se encuentra un contenido de elementos de los cuales no seria factible la instalación de un sistema como el que se propone ya que todos los elementos que este contiene son solo artículos de madera y demasiado sencillos. 13

19 2.4.5 Edificio no. 3 acción reacción En la sala anterior encontramos que la seguridad seria algo de tomar en cuenta ya que esta contiene aparatos de un valor mas elevado que en la anterior en ella encontramos de valor una cama de clavos la cual tiene un funcionamiento electrónico controlado, un equipo de nubes portátil el cual conlleva un sistema electrónico de costo medio alto, así como una hélice que produce energía eléctrica el cual también es de un costo medio elevado. Pero así como se ocuparía será solamente un equipo de censores de movimiento ya que solo seria cuidar de intrusión nocturna al habitáculo para evitar su robo. 14

20 2.4.6 Edificio no. 4 agua aire 15

21 En esta sala se encuentra llena de aparatos pero a excepción de la cámara de aire que ya su gran volumen y robustez es difícil robarlo o maltratarlo, todos los de más elementos son censillos y de bajo costo por eso tomamos en cuenta solo para poner solo detectores de movimiento Edificio no. 5 Polos Cargas 16

22 Esta es una de las salas en la que mas tenemos el interés de poder instalar el todo lo que tenemos de la alarma ya que en esta se encuentran 8 maquinas de escritorio así como la esfera de plasma que también exige supervisión y cuidado de quien la pudiera dañar así como ver que le estén dando buen uso a las maquinas y la esfera, por medio de la cámara, y por el exceso de calor se pondría un extractor de calor controlado por un censor de temperatura, así como controlar la entrada a este por medio de el teclado y la cerradura electrónica y por si acaso entraran por otro lado serian los sensores de movimiento 17

23 2.4.8 Edificio no. 6 mas menos En esta sala se tiene poco equipo de importancia solo lo mas importante es lo que se tiene en las fotos pero igual que en algunas de las salas antes mencionadas será conveniente poner sensores de movimiento para proteger de la intuición de algún individuo no deseado, a horas que no sean de trabajo y así evitar algún robo de los equipos antes descritos, además que el calor generado por las PC de escritorio no es suficiente como para justificar el sensor de temperatura y el extractor de calor 18

24 2.4.9 Edificio no. 7 viene va En esta sala se tiene equipo de importancia y sobre todo las dos PC de escritorio pero aun así estudiándola tomamos la decisión de solo poner sensores de movimiento, ya que el material que contiene no es de un costo tan elevado y no es tan delicado como en la sala de polos y cargas que es la que justificaría poner un sistema completo, además que el calor generado por la PC no es grande como para justificar un sensor de temperatura y un extractor de calor. 19

25 CAPITULO III.- CIRCUITOS INTEGRADOS PROGRAMABLES (PIC) 3.1 Introduccion a los microcontroladores. Que es un microcontrolador? Los microcontroladores hicieron su aparición a principio de los 80 y se trata de un circuito integrado programable que contiene toda la estructura (arquitectura) de una microcomputadora. Es decir que, dentro de un microcontrolador podemos encontrar: una CPU (Unidad Central de Proceso) Memoria RAM Memoria ROM Memoria EEPROM (Memoria de lectura y escritura no volátil, es decir, que no se pierden los datos cuando el circuito es desconectado) Puertos de Entrada/Salida (Pines de E/S) E incluso muchos modelos de microcontroladores incorporan distintos módulos periféricos, como pueden ser; conversores analógico/digital (A/D), módulos PWM (control por ancho de pulso), módulos de comunicaciones seriales o en paralelo, y más. Todo esto lo podemos encontrar dentro del mismo circuito integrado. Cada vez existen más productos que incorporan microcontroladores con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y costo, mejorar su confiabilidad y disminuir el consumo de energía. 20

26 Los microcontroladores PIC Los microcontroladores denominados PIC corresponden exclusivamente a la marca Microchip. PIC significa "Peripheral Interfase Controller" y fue desarrollado por Microchip a principio de los 80. Existe una gran cantidad de modelos de microcontroladores cuyas características y prestaciones varían de un modelo a otro. De esta manera los desarrolladores pueden seleccionar el modelo que mejor se ajuste a sus necesidades. Los distintos modelos de microcontroladores se agrupan por familia. Una familia puede estar formada por un conjunto de modelos cuyas características y prestaciones son bastante similares. Cuando compramos un microcontrolador, la memoria del mismo se encuentra vacía y para que funcione es necesario que sea programado, es decir que, el desarrollador debe escribir un programa que contenga todos los procesos que el microcontrolador debe ejecutar. Este programa se escribe en un lenguaje llamado Assembler (ensamblador) cuya principal característica es su alta complejidad ya que se trata de un lenguaje de bajo nivel, es decir, que se encuentra más Cercano al lenguaje de la máquina que del lenguaje humano. Por esto, sólo los técnicos altamente capacitados están en condiciones de realizar desarrollos electrónicos que incluyan microcontroladores. Incluso a estos especialistas les implica un gran esfuerzo intelectual y mucho tiempo de desarrollo Estructura de un microcontrolador Básicamente, un microcontrolador esta compuesto por los siguientes componentes: Procesador o CPU (del inglés Central Prossesing Unit o Unidad Central de Proceso). Memoria para el programa tipo ROM. Memoria RAM para contener los datos. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Co inversores Digital/Analógico, etc.). 21

27 3.1.3 El procesador o CPU Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. La CPU (Central Processing Unit o Unidad Central de Proceso) se encarga la decodificación y ejecución del programa. Actualmente, existen 3 tipos de arquitectura de procesadores: CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo): Disponen de más de 80 instrucciones en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen instrucciones complejas que actúan como macros. RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido): En estos procesadores el repertorio de instrucciones es muy reducido y las instrucciones son simples y generalmente se ejecutan en un ciclo. La ventaja de éstos es que la sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador. SC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico): En los microcontroladores des - tinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es "específico", o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista Memoria ROM La memoria ROM es una memoria no volátil, es decir, que no se pierden los datos al desconectar el equipo y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Los microcontroladores disponen de capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes. Existen distintos tipos de memorias ROM, la cual determinará la aplicación del microcontrolador. 22

28 3.1.5 ROM con máscara Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado costo del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades OTP El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde una PC. La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido EPROM Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico EEPROM Se trata de memorias de sólo lectura, las cuales se puede escribir y borrar eléctricamente. EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. 23

29 No disponen de ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continúa. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables Para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este tipo de memoria es relativamente lenta FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM. La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura y borrado Memoria RAM La memoria RAM es una memoria volátil, es decir, que se pierden los datos al desconectar el equipo, y se destina a guardar las variables y los datos. Los microcontroladores disponen de capacidades de RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes. 3.2 Registros y Bits Un registro es una posición de memoria en la cual se puede almacenar un dato. Es decir que la memoria esta dividida en pequeñas partes llamadas Registros. Dentro de la memoria, cada registro se identifica mediante un número, el cual se denomina Dirección de memoria y generalmente está expresado en formato Hexadecimal. El primer registro de una memoria corresponde a la dirección 00H. 24

30 Dado que identificar a cada registro mediante un número hexadecimal puede resultar muy complejo a la hora de diseñar el programa, existe la posibilidad de asignar un nombre a una dirección de registro. En general, este nombre está directamente relacionado con la función que cada registro cumple dentro del sistema. Los registros no solo son utilizados por el programador (usuario) para almacenar los datos que la aplicación debe procesar, sino que, además, sirven para controlar todo el funcionamiento del microcontrolador en su conjunto. Esta función, la cumple un conjunto de registros que ya vienen Predefinidos desde la fábrica. Es decir, que el fabricante asigna las funciones de configuración y control del microcontrolador en un grupo de registros y el usuario no puede modificar la función que cumple cada uno de éstos. Cada Registro está dividido en 8 partes a los cuales se los denomina Bits. Entonces podemos decir que un Registro esta formado por un conjunto de 8 bits. El Bit es la menor unidad de información que un sistema digital puede procesar y solo puede contener los valores lógicos 0 y Líneas de Entrada/Salida (E/S), (Puertos) Los microcontroladores cuentan con una serie de pines destinados a entrada y salida de datos o señales digitales. A estos pines se les denomina Puerto. Como mencionamos anteriormente, todo el funcionamiento del microcontrolador está controlado a través de los registros. Los puertos no son la excepción, también están controlados por los registros. Por esto, un puerto no puede estar formado por más de 8 pines; 1 Pin por cada Bit de un registro. Un puerto si puede estar Formado por menos de 8 pines. Un microcontrolador puede contener varios puertos dependiendo del modelo. A cada puerto se lo identifica con una letra. Por ejemplo; Puerto A, Puerto B, etc. Para poder utilizar un puerto, primero el mismo debe ser configurado. Cada pin de un puerto puede ser configurado como entrada o salida independientemente del resto de los pines del mismo puerto. 25

31 3.4 Módulos Temporizadores Internos (TMRs) Un temporizador interno (TMR) es un módulo de hardware incluido en el mismo microcontrolador el cual está especialmente diseñado para incrementar automáticamente el valor de un registro asociado al TMR cada vez que el módulo TMR recibe un pulso. A este pulso se lo llama señal de reloj. El módulo TMR siempre incrementa el valor del registro asociado, nunca decremento dicho valor. Algunos microcontroladores pueden incluir más de un módulo TMR y la señal de reloj de cada uno de éstos puede ser de origen interno o externo. Si el origen de la señal de reloj está configurado como externo, el módulo temporizador puede ser utilizado como un contador de eventos externos, incrementando el TMR con cada pulso recibido mediante el pin correspondiente. Si el origen de la señal de reloj es interno, el TMR incrementa con cada ciclo del oscilador. Esto permite utilizar el temporizador como contador de ciclos de programa, donde, un ciclo corresponde al tiempo de ejecución de una instrucción, lo cual se puede calcular con la siguiente fórmula: ( Frec. Osc. / 4) Donde Frec. Osc. es la frecuencia del oscilador utilizado. Dado que la velocidad de ejecución del microcontrolador corresponde a ¼ de la velocidad del cristal utilizado, cada ciclo de programa se ejecuta en un tiempo determinado según el cristal que estemos utilizando. Por ejemplo; con un cristal de 4Mhz la velocidad real de procesamiento del microcontrolador es de 1 Mhz. Esto significa que cada ciclo de programa se ejecuta a 1/ (1 us) y dado que cada incremento del TMR corresponde a un ciclo de programa, si contamos los incrementos de un TMR, indirectamente podremos calcular el tiempo transcurrido. 26

32 3.5 Utilizando un microcontrolador Como mencionamos anteriormente, el microcontrolador tiene una memoria de programa, donde grabamos las instrucciones necesarias para que el micro realice el trabajo que necesitamos. Cuando compramos un microcontrolador, la memoria de programa viene vacía. Para que un microcontrolador funcione es necesario programarlo. Los microcontroladores se programan en un lenguaje de programación llamado Ensamblador (en inglés Assembler) cuya principal característica es su altísima complejidad. Los lenguajes de programación se clasifican según el Nivel de programación en: escritura fácilmente legible y comprensible por el hombre. En la actualidad se trata de lenguajes de tipo visual. poco más al lenguaje de maquina. Permiten un acceso más amplio al control físico de la maquina (hardware). escribe código en el mismo idioma del procesador. Se tiene control total del sistema. Es necesario un conocimiento de la arquitectura mecánica del procesador para realizar una programación efectiva. El lenguaje de programación es muy especifico para cada modelo de procesador, incluso puede variar de un modelo a otro de procesador dentro de un mismo fabricante. Podemos decir que los lenguajes de alto Nivel se asemejan más al lenguaje humano y que los lenguajes de bajo Nivel se asemejan más al lenguaje de máquina y en el lenguaje ensamblador el usuario debe programar en el propio idioma del procesador. El microcontrolador sólo entiende de números, es decir que, el código Assembler (texto) no puede ser procesado directamente por el microcontrolador. Para poder grabar el programa 27

33 en el micro, primero debemos convertir el texto del código Assembler a números, en general, en formato hexadecimal. A este proceso Se le llama Compilación. Por último, después de compilado, el programa está listo para ser grabado al microcontrolador. Esto realiza mediante una placa programadora. A ésta placa programadora, comúnmente se la llama programador. Existen distintos tipos de programadores los cuales pueden ser para conectar a la PC mediante el puerto Serie (COM) o Paralelo (LPT). Cada programador trabaja en conjunto con un software, mediante el cual se realiza el proceso de lectura y escritura de los microcontroladores. A continuación se presenta un resumen del proceso de desarrollo del código y grabación de un microcontrolador: 1) Escribir el código Assembler. Se genera un archivo con extensión ASM. 2) Compilar el código Assembler. Se genera un archivo con extensión HEX. 3) Grabar (transferir) el programa desde la PC al microcontrolador mediante un programador. 3.6 Aplicaciones de los microcontroladores. Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras 28

34 aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC. 3.7 El mercado de los microcontroladores. Aunque en el mercado de la microinformática la mayor atención la acaparan los desarrollos de los microprocesadores, lo cierto es que se venden cientos de microcontroladores por cada uno de aquéllos. Existe una gran diversidad de microcontroladores. Quizá la clasificación más importante sea entre microcontroladores de 4, 8, 16 ó 32 bits. Aunque las prestaciones de los microcontroladores de 16 y 32 bits son superiores a los de 4 y 8 bits, la realidad es que los microcontroladores de 8 bits dominan el mercado y los de 4 bits se resisten a desaparecer. La razón de esta tendencia es que los microcontroladores de 4 y 8 bits son apropiados para la gran mayoría de las aplicaciones, lo que hace absurdo emplear micros más potentes y consecuentemente más caros. Uno de los sectores que más tira del mercado del microcontrolador es el mercado automovilístico. De hecho, algunas de las familias de microcontroladores actuales se desarrollaron pensando en este sector, siendo modificadas posteriormente para adaptarse a sistemas más genéricos. El mercado del automóvil es además uno de los más exigentes: los componentes electrónicos deben operar bajo condiciones extremas de vibraciones, choques, ruido, etc. y seguir siendo fiables. El fallo de cualquier componente en un automóvil puede ser el origen de un accidente. En cuanto a las técnicas de fabricación, cabe decir que prácticamente la totalidad de los microcontroladores actuales se fabrican con tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Esta tecnología supera a las técnicas anteriores por su bajo consumo y alta inmunidad al ruido. 29

35 La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente: Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los computadores y sus periféricos. La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo (electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.) El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones. Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales. El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción. También los modernos microcontroladores de 32 bits van afianzando sus posiciones en el mercado, siendo las áreas de más interés el procesamiento de imágenes, las comunicaciones, las aplicaciones militares, los procesos industriales y el control de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos. 3.8 Recursos comunes a todos los microcontroladores. Al estar todos los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental y sus características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, líneas de E/S, oscilador de reloj y módulos controladores de periféricos. Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar los recursos más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente. 30

36 Figura 3.1 El microcontrolador. Este es un sistema cerrado. Todas las partes del Con formato: Fuente: Negrita computador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan los periféricos. 3.9 Caracteristicas del PIC16F87X La arquitectura harvard En el caso específico se utilizara el 16f877 La arquitectura conocida como Harvard, consiste simplemente en un esquema en el que el CPU esta conectado a dos memorias a través de dos buses independientes (y no necesariamente deben tener el mismo ancho). Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa) y la otra almacena los datos (Memoria de Datos). Bus de datos Bus de Instrucciones MEMORIA DE DATOS CPU 8 12 MEMORIA DE INSTRUCCIONES Figura 3.2 Aarquitectura harvard, Muestra como se compone un sistema harvard con la unidad principal de CPU, una memoria de datos y una memoria de programa. Los microcontroladores PIC utilizan la arquitectura Harvard, con una memoria de datos de 8 bits, y una memoria de programa que, según el modelo, puede ser de 12, 14 o 16 bits Principales características Se enumeran las prestaciones y dispositivos especiales de los PIC16F87X. Procesador de arquitectura RISC avanzada 31

37 Juego de solo 35 instrucciones con 14 bits de longitud. Todas ellas se ejecutan en un ciclo de instrucción, menos las de salto que tardan dos. Hasta 8K palabras de 14 bits para la Memoria de Programa, tipo FLASH en los modelos 16F876 y 16F877 y 4KB de memoria para los PIC 16F873 y 16F874. Hasta 368 Bytes de memoria de Datos RAM. Hasta 256 Bytes de memoria de Datos EEPROM. Pines de salida compatibles para el PIC 16C73/74/76/77. Hasta 14 fuentes de interrupción internas y externas. Pila de 8 niveles. Modos de direccionamiento directo e indirecto. Power-on Reset (POP). Temporizador Power-on (POP) y Oscilador Temporizador Start-Up. Perro Guardián (WDT). Código de protección programable. Modo SLEEP de bajo consumo. Programación serie en circuito con dos pines, solo necesita 5V para Programarlo en este modo. Voltaje de alimentación comprendido entre 2 y 5,5 V. Bajo consumo: < 2 ma valor para 5 V y 4 Mhz 20 A para 3V y 32 M < 1 A en standby. 32

38 Figura 3.3 Encapsulado PDIP de 40 pines. Terminales del PIC16F877, esta figura muestra cada una de las terminales del microcontrolador, las flechas indican si son de entrada o salida, en caso de que cuente con dos flechas esto indica que se puede configurar como entrada o salida Terminales de entrada-salida Puerto A: Puerto de e/s de 6 pines RA0 RA0 y AN0 RA1 RA1 y AN1 RA2 RA2, AN2 y VrefRA3 RA3, AN3 y Vref+ RA4 RA4 (Salida en colector abierto) y T0CKI(Entrada de reloj del modulo Timer0) RA5 RA5, AN4 y SS (Selección esclavo para el puerto serie síncrono) Puerto B: Puerto e/s 8 pines Resistencias pull-up programables RB0 Interrupción externa RB4-7 Interrupción por cambio de flanco RB5-RB7 y RB3 programación y debugger in circuit Puerto C: Puerto e/s de 8 pines RC0 RC0, T1OSO (Timer1 salida oscilador) y T1CKI (Entrada de reloj del modulo Timer1). RC1-RC2 PWM/COMP/CAPT RC1 T1O (entrada osc timer1) RC3-4 IIC RC3-5 SPI 33

39 RC6-7 USART Puerto D: Puerto e/s de 8 pines Bus de datos en PPS (Puerto paralelo esclavo) Puerto E: Puerto de e/s de 3 pines RE0 RE0 y AN5 y Read de PPS RE1 RE1 y AN6 y Write de PPS RE2 RE2 y AN7 y CS de PPS Otras terminales VDD: Positivo de alimentación. 2-6 Vcc. VSS: Negativo de alimentación. MCLR: Master Clear (Reset). Mientras en este terminal haya un nivel bajo (0 Vcc), el microcontrolador permanece inactivo. OSC1/CLKIN: Entrada del oscilador (cristal). Entrada de oscilador externo. OSC2/CLKOUT: Salida del oscilador (cristal). 34

40 Figura 3.4 diagrama de conexiones de alimentación En esta figura se muestran las conexiones necesarias para el funcionamiento del PIC así como los componentes necesarios que en el PIC se utilizan son un oscilador a 4 mhz dos capacitares cerámicos de 22pf y resistencia de 10k y sus conexiones a 5v y tierra Dispositivos periféricos 0: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler de 8 bits 1: Temporizador-contador de 16 bits con preescaler que puede Incrementarse en modo sleep de forma externa por un cristal/clock. -contador de 8 bits con preescaler y postscaler. dulos de Captura, Comparación, PWM (Modulación de Ancho de Pulsos). Conversor A/D de 1 0 bits. Transmitter) con 9 bit. lo Esclavo (PSP) solo en encapsulados con 40 pines 3.11 Diferencias entre los modelos de 28 y los de 40 pines El PIC 16F873 y el 876 tienen 28 pines, mientras que el PIC 1 6F874 y 877 tienen 40. Nos centraremos en el PIC 16F873 y las diferencias que tiene con sus hermanos son mínimas y se detallan a continuación: Los modelos de 40 pines disponen de 5 Puertos de E/S: A, B, C, D y E, mientras que los de 28 solo tienen 3 Puertos: A, B y C. Los modelos de 40 pines tienen 8 canales de entrada al Conversor A/D, mientras que los de 28 solo tienen 5 canales. Sólo poseen el Puerto Paralelo Esclavo los PIC 16F87X de 40 pines. 35

41 3.12 ELl PIC 16F87X Bajo el nombre de esta subfamilia de microcontroladores, actualmente encontramos cuatro modelos: EL PIC 16F873/4/6 y 7. Estos microcontroladores disponen de una memoria e programa FLASH de 4 a 8 KBytes de 14 bits, considerablemente superior frente al PIC 16F84 en el que solo disponíamos de l Kbyte de 14 bits. De los microcontroladores indicados, el 16F873 y el 16F876 son de 28 pines, mientras que 16F874 y el 16F877 tiene 40 pines, lo que les permite disponer de hasta 33 líneas de E/S. En su arquitectura además incorporan: Varios Timer USART Bus I2C Tabla 3.1 En la Tabla se muestran las características comparativas más relevantes de esta familia de microcontroladores 36

42 3.13 Descripción global del dispositivo Este documento contiene la información específica del dispositivo. Se puede encontrar información adicional del PICmicroTM en el Manual de Referencia de los PIC de la gama media, (DS33023) que se puede obtener en el website de Microchip. El Manual de referencia debe ser considerado un documento complementario a estos datos, y recomendable leerlo para entender mejor la arquitectura del dispositivo y el funcionamiento de los módulos periféricos. La familia consta de cuatro dispositivos (PIC16FS73, PIC16F874, PIC16F876 y PIC 16F877) en estas hojas de datos. Los PIC 1 6F876/873 entran en el bloque de dispositivos encapsulados en 28-pines y los PIC 1 6F877/874 entran en el bloque de dispositivos encapsulados en 40 pines. Los dispositivos de 28- pines no tienen implementado el puerto paralelo esclavo. 37

43 Tabla 3.2 El PIC16F877 por dentro. Esta figura muestra la estructura interna del Con formato: Fuente: Negrita Con formato: Fuente: Negrita Pic16f

44 Tabla 3.3 Descripción de los Pines del PIC 16F874 y PIC16F877 39

45 Descripción de los pines de los PIC 16F874 y 16F877 (Continuación Tabla 3.3) 3.14 Programacion Instrucciones del PIC16F877. Se tienen 35 instrucciones con las cuales se puede programar el PIC, y a continuación se describe cada una de ellas. ADDLW CALL INCF P SLEEP ADDWF CLRF INCFSZ RETFIE SUBLW ANDLW CLRW IORLW RETLW SUBWF ANDWF CLRWDT IORWF RETURN SWAPF BCF COMF MOVF RLF XORLW BSF DECF MOVLW RRF XORWF 40

46 BTFSC DECFSZ BTFSS GOTO MOVWF La función de cada una de las instrucciones se describe a continuación. ADDWF Acción Suma el contenido del acumulador y el registro dado, y el resultado lo guarda en d Sintaxis ADDWF f,d Funcionamiento Add W to file register (Añade W al registro) Operación d = W + f (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción suma el contenido de un registro específico al contenido de W donde f puede ser un registro cualquiera con un determinado valor. ANDWF Acción Realiza la operación AND entre un registro y W Sintaxis ANDWF f,d Funcionamiento AND W with f Operación d = W AND f (d puede ser W o f). Descripción Esta instrucción realiza la operación lógica AND entre el acumulador y el registro f. el resultado se guarda dependiendo del valor de d. Si este se omite, el valor por defecto es 1 y se guarda en f 41

47 CLRF Acción Borra un registro Sintaxis CLRF f Funcionamiento Clear file register Operación F=0 Descripción Esta instrucción borra un registro específico, poniendo sus bits a cero CLRW Acción Borra el acumulador Sintaxis CLRW Funcionamiento Clear W Operación W=0 Descripción Esta instrucción borra el registro W solamente COMF Acción Complementa el registro F Sintaxis COMF f,d Funcionamiento Complement f Operación d = T f (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción complementa un registro, es decir, los ceros los convierte en unos, y los unos en ceros. 42

48 DECF Acción Decrementa el registro f Sintaxis DECF f,d Funcionamiento Decrement f Operación d = f 1 (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción decrementa en una sola unidad el registro "f". DECFSZ Acción Decrementa el registro f, y si el resultado es cero, se salta una instrucción. Sintaxis DECFSZ f,d Funcionamiento Decrement f, skip if 0 Operación d = f 1, si d = 0 SALTA (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción decrementa el contenido del registro direccionado por el parámetro f, y si el resultado es 0 salta la instrucción siguiente. Si no, sigue con su curso habitual INCF Acción Suma una unidad al registro f Sintaxis INCF f,d Funcionamiento Increment f Operación d = f + 1 (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción incrementa en una sola unidad el registro "f". 43

49 INCFSZ Acción Incrementa en 1 a f, y si f= 0 salta la siguiente instrucción Sintaxis INCFSZ f,d Funcionamiento Increment f, Skip if 0 Operación d = f + 1, si d = 0 SALTA (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción incrementa en una sola unidad el registro "f", en la cual si el resultado d es igual a cero, entonces salta la instrucción siguiente. IORWF Acción Operación lógica OR entre el acumulador y un registro Sintaxis IORWF f,d Funcionamiento Inclusive Or W with F Operación d = W OR f (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción realiza una operación lógica OR inclusivo entre el acumulador W y el registro direccionado por el parámetro f. El parámetro d determina donde se almacenará el resultado de la operación. Si no se pone nada, el valor por defecto es 1 y se guarda en f. MOVF Acción Mueve el contenido de un registro al acumulador o al propio registro Sintaxis MOVF f,d Funcionamiento Move f Operación d = f (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción mueve el contenido del registro f en el mismo 44

50 registro f o en W. D determina el destino del resultado. Si no se pone nada, el valor por defecto es 1 y se guarda en f. MOVWF Acción Mueve el acumulador al registro f Sintaxis MOVWF f Funcionamiento Move W to f Operación f=w Descripción Esta instrucción copia el contenido del acumulador W en el registro direccionado por el parámetro f. P Acción No opera Sintaxis P Funcionamiento No Operation Operación Ninguna Descripción Esta instrucción no realiza ninguna ejecución, pero sirve para gastar un ciclo de máquina, equivalente a 4 de reloj RLF Acción Rota a la izquierda el registro f Sintaxis RLF f,d Funcionamiento Rotate Left through Carry f 45

51 Operación d = << 1 (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción rota a la izquierda todos los bits del registro direccionado por el parámetro f pasando por el bit CARRY del registro STATUS (desde los bits menos significativos a los más significativos). Es como si multiplicáramos por dos el contenido del registro. Veamos el registro f de forma gráfica: El bit D7 pasa al CARRY del registro STATUS, el contenido del CARRY pasa al D0, el D0 al D1, etc. RRF Acción Rota a la derecha el registro f Sintaxis RRF f,d Funcionamiento Rotate Right through Carry f Operación d = f >> 1 (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción rota a la derecha todos los bits del registro direccionado por el parámetro f pasando por el bit CARRY del registro STATUS (desde los bits más significativos a los menos significativos). Es como si dividiéramos por dos el contenido del registro. Si no se pone nada, el valor por defecto es 1 y se guarda en f. 46

52 SUBWF Acción Resta el contenido del registro W el registro f Sintaxis SUBWF f,d Funcionamiento Subtract W from f Operación d = f W (d puede ser W ó f). Descripción Esta instrucción resta el valor contenido en el acumulador W del valor contenido en el registro direccionado por el parámetro f. El parámetro d determina el destino. Si no se pone nada el valor por defecto será 1 y se almacenará en f. SWAPF Acción Invierte los dos nibbles que forman un byte dentro de un registro Sintaxis SWAPF f,d Funcionamiento Swap nibbles in f Operación f = 0123 SWAP 4567 de f Descripción Esta instrucción intercambia el valor de los 4 bits más significativos (D7-D4) contenidos en el registro f, con los 4 bits menos significativos (D3-D0) del mismo. El parámetro d determina el destino. Si no se pone nada, el valor por defecto es 1 y se guarda en f. XORWF Acción Operación lógica OR-Exclusiva Sintaxis XORWF f,d Funcionamiento Exclusive OR W with f Operación d = W OR f Descripción Esta instrucción efectúa la operación lógica XOR (OR exclusivo) 47