IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD CULHUACAN TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN MECANICA.

Transcripción

1 IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD CULHUACAN TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN MECANICA. POR LA OPCION TITULACION: SEMINARIO CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS REG: FNS /06/2006 PRESENTAN: ESPINOSA SOUTO GUSTAVO ROSAS MARTINEZ IVAN OSVALDO TEMA: LA AUTOMATIZACION DE UNA MAQUINA GALLETERA. OBJETIVO: AUTOMATIZAR UNA LÍNEA DE PRODUCCIÓN DE GALLETAS POR MEDIO DE MICROCONTROLADORES. CAPITULO I. ANTECEDENTES DE LOS MICROCONTROLADORES CAPITULOII. TEORIA DE LOS MICROCONTROLADORES Y SU ARQUITECRURA CAPITULO III. ARQUITECTURA DE MAQUINA AUTOMATIZADA PARA LA PRODUCCION DE GALLETAS. CAPITULOIV. OTRO TIPO DE APLICACIONES DE LOS MICRONOTROLADORES EN LA INDUSTRIA Y NUEVAS OPCIONES PICAXE. CAPITULO V. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA GLOSARIO M. EN C. LAZARO EDUARDO CASTILLO BARRERA COORDINADOR ASESOR ING. EDGAR MAYA PEREZ ASESOR M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SANCHEZ ASESOR M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA JEFE DE DEPTO DE ICE ESIME CULHUACAN

2 AGRADECIMIENTOS: A DIOS, A MIS PADRES, A TODA MI FAMILIA Y TODOS LOS QUE DIOS QUIZO PONERLOS EN EL MISMO CAMINO PARA ACOMPAÑARNOS Y APOYARNOS. 1

3 INDICE CAPITULO I. ANTECEDENTES DE LOS MICROCONTROLADORES 1.1 Objetivo Alcance Estado del arte Breve reseña histórica Historia de la automatización CAPITULO II. TEORIA DE LOS MICROCONTROLADORES Y SU ARQUITECTURA 2.1 Introducción al microcontrolador Microcontroladores mas comunes Juego de instrucciones y entorno de programación Programación del pic Características Variaciones del pic Pics para procesado de señal (dspics) Aplicaciones de los microcontroladores Arquitectura CAPITULO III. ARQUITECTURA DE MAQUINA AUTOMATIZADA PARA LA PRODUCCION DE GALLETAS. 3.1 Introducción Características de la maquina Descripción de los puertos Descripción de pines

4 3.4 Aplicación Comunicación pc con los microcontroladores Introducción a las tarjetas de control digital Tarjeta de comunicación serial Tarjeta probadora de cortocircuito (tester 2) Rectificador de corriente Tarjeta del pic master Tarjeta probadora del master (tester 1) Tarjeta distribuidora Tarjeta del pic esclavo Tarjeta del driver Tarjeta de alimentación del driver Tablero de control terminado Sofware de control para 5 motores a pasos Arquitectura mecánica Funcionamiento de los motores CAPITULO IV. OTRO TIPO DE APLICACIONES DE LOS MICRONOTROLADORES EN LA INDUSTRIA Y NUEVAS OPCIONES PICAXE. 4.1 Introducción Ventajas del sistema picaxe Otra alternativa Manejo de motores a pasos por medio de un dsp CAPITULO V. CONCLUSIONES 5.1 Conclusiones BIBLIOGRAFIA

5 CAPITULO I ANTECEDENTES DE LOS MICROCONTROLADORES 4

6 1.1 OBJETIVO a) El objetivo de este proyecto es fabricar una maquina para hacer galletas, tomando como elemento básico motores eléctricos, los cuales deberán ser controlados por medio de un programa diseñado específicamente para el correcto funcionamiento de la maquina. b) Otro objetivo que se busca al automatizar el proceso de producción de galletas es reducir los tiempos para obtener el producto final (galletas) c) Al tener una maquina automatizada que se encargara de producir galletas en menor tiempo se busca al mismo tiempo obtener mayor ventas. 1.2 ALCANCE Construir una maquina automatizada para la producción de galletas en el menor tiempo posible tomando en cuenta la relación costo beneficio, con lo cual no se busca aumentar las ventas y en consecuencia obtener mayor beneficio economico. 5

7 1.3 ESTADO DEL ARTE. Considerando el momento actual, comparando los parámetros fundamentales con los modelos comerciales de otros fabricantes y las aplicaciones más habituales a las que se destinan los microcontroladores, si opinamos que casi en un 90 % de los casos. la elección de una versión adecuada de PIC es la mejor solución. Sin embargo, otras familias de microcontroladores son más eficaces en aplicaciones concretas, especialmente si predomina una característica especial. Pero no queremos dejar pasar la ocasión de afirmar que en la actualidad los PIC tienen "algo" que fascina a los diseñadores. Pueden ser la velocidad, el precio, la facilidad de uso, la información, las herramientas de apoyo. Quizás un poco de todo es lo que produce esa imagen de sencillez y utilidad. Es muy posible que mañana otra familia de microcontroladores le arrebate ese "algo". Es la ley del mercado y la competencia. En el presente capítulo proponemos un análisis de las características generales que acompañan a los PIC y una comparación con otros modelos. 1.4 BREVE RESEÑA HISTORICA En 1965, la empresa GI creó una división de microelectrónica, GI Microelectronics División, que comenzó su andadura fabricando memorias EPROM y EEPROM, que conformaban las familias AY3-XXXX y AY5-XXXX. A principios de los años 70 diseñó el microprocesador de 16 bits CP1600, razonablemente bueno pero que no manejaba eficazmente las Entradas y Salidas. Para solventar este problema, en 1975 diseñó un chip destinado a controlar E/S: el PIC (Peripheral Interface Controller). Se trataba de un controlador rápido pero limitado y con pocas instrucciones pues iba a trabajar en combinación con el CP1600. La arquitectura del PIC, que se comercializó en 1975, era sustancialmente la misma que la de los actuales modelos PIC16C5X. En aquel momento se fabricaba con tecnología NMOS y el producto sólo se ofrecía con memoria ROM y con un pequeño pero robusto microcódigo. La década de los 80 no fue buena para GI, que tuvo que reestructurar sus negocios, concentrando sus actividades en los semiconductores de potencia. La GI Microelectronics División se convirtió en una empresa subsidiaria, llamada GI Microelectronics Inc. Finalmente, en 1985, la empresa fue vendida a un grupo de inversores de capital de riesgo, los cuales, tras analizar la situación, rebautizaron a la empresa con el nombre de Arizona Microchip Technology y orientaron su negocio a los PIC, las memorias EPROM paralelo y las EEPROM serie. Se comenzó rediseñando los 6

8 PIC, que pasaron a fabricarse con tecnología CMOS, surgiendo la familia de gama baja PIC16CSX, considerada como la "clásica". Una de las razones del éxito de los PIC se basa en su utilización. Cuando se aprende a manejar uno de ellos, conociendo su arquitectura y su repertorio de instrucciones, es muy fácil emplear otro modelo. Microchip cuenta con su factoría principal en Chandler, Arizona, en donde se fabrican y prueban los chips con los más avanzados recursos técnicos. En 1993 construyó otra factoría de similares características en Tempe, Arizona. También cuenta con centros de ensamblaje y ensayos en Taiwan y Tailandia. Para tener una idea de su alta producción, hay que tener en cuenta que ha superado el millón de unidades por semana en productos CMOS de la familia PIC16CSX. 1.5 HISTORIA DE LA AUTOMATIZACIÓN Las primeras máquinas eran máquinas simples que sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana. Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controlados por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC. En 1801, la patente de un telerar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil. La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales. Para mediados del siglo 20, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales era exclusivamente computadoras analógicas y computadoras hibridas. Desde entonces las computadoras 7

9 digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento." Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. El más inútil de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización. Las computadoras especializadas, referidas como Controlador lógico programable, son utilizadas frecuentemente para sincronizar el flujo de entradas de sensores y eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos. Esto conduce para controlar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. (Se temía que estos dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, con consecuencias catastróficas, ya que son tan comunes dentro del mundo de la industria). 8

10 CAPITULO II TEORIA DE LOS MICROCONTROLADORES Y SU ARQUITECTURA 9

11 2.1 INTRODUCCION AL MICROCONTROLADOR Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de un ordenador: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Aunque sus prestaciones son limitadas, además de dicha integración, su característica principal es su alto nivel de especialización. Aunque los hay del tamaño de un sello de correos, lo normal es que sean incluso más pequeños, ya que, lógicamente, forman parte del dispositivo que controlan. Es un microprocesador optimizado para ser utilizado para controlar equipos electrónicos. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de ordenadores vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno para leer esto), usted tiene probablemente distribuido entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo eléctrico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc... Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en un ordenador en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM, significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito. Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería. 10

12 2.2 MICROCONTROLADORES MAS COMUNES Los microcontroladores más comunes en uso son: Atmel o AVR Freescale (antes Motorola) o 8 bits 68HC05 68HC08 68HC11 o 16 bits o o H8 Holtek o 32 bits 683xx Hitachi o 68HC12 68HC16 HT8 Intel o 8 bits o 8XC42 MCS51 8xC bits MCS96 MXS296 National Semiconductor o COP8 Microchip o Gama 8 bits (Familia 10f2xx) o Gama baja (Familia 12Cxx de 12 bits) (p.e. PIC12C508) o Gama media (Familia 12Fxx, 16Cxx y 16Fxx de 14 bits)(p.e. PIC16F84) o Gama alta (18Cxx y 18Fxx de 16 bits) (p.e. PIC18F452) o dspic (DSPs) 11

13 NEC o 78K Parallax o [BASIC Stamp] o [SX] o [Propeller] ST o o ST 62 ST 7 Texas Instruments o TMS370 Zilog o o Z8 Z86E02 Genérico o Algunas arquitecturas de microcontrolador están disponibles por tal cantidad de vendedores y en tantas variedades, que podrían tener, con total corrección, su propia categoría. Entre ellos encontramos, principalmente, las variantes de 8051 y Z JUEGO DE INSTRUCCIONES Y ENTORNO DE PROGRAMACIÓN El PIC usa un juego de instrucciones tipo RISC, cuyo número puede variar desde 35 para PICs de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de condicionamiento y de salto/retorno, implementación de interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada sleep. Microchip proporciona un entorno de desarrollo freeware llamado MPLAB que incluye un simulador software y un ensamblador. Otras empresas desarrollan compiladores C y BASIC. Microchip también vende compiladores para los PICs de gama alta ("C18" para la serie F18 y "C30" para los dspics) y se puede descargar una edición para estudiantes del C18 que inhabilita algunas opciones después de un tiempo de evaluación. 12

14 2.4 PROGRAMACIÓN DEL PIC Para transferir el código de un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llamado programador. La mayoría de PICs que Microchip distribuye hoy en día incorporan ICSP (In Circuit Serial Programming, programación serie incorporada) o LVP (Low Voltage Programming, programación a bajo voltaje), lo que permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Para la ICSP se usan los pines RB6 y RB7 como reloj y datos y el MCLR para activar el modo programación aplicando un voltaje de unos 11 voltios. Existen muchos programadores de PICs, desde los más simples que dejan al software los detalles de comunicaciones, a los más complejos, que pueden verificar el dispositivo a diversas tensiones de alimentación e implementan en hardware casi todas las funcionalidades. Muchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos PICs preprogramados como interfaz para enviar las órdenes al PIC que se desea programar. Uno de los programadores más simples es el TE20, que utiliza la línea TX del puerto RS232 como alimentación y las líneas DTR y CTR para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador está en modo programación. El sofware de programación puede ser el ICprog, muy común entre la gente que utiliza este tipo de microcontroladores. Programadores PICStart Plus (puerto serie) Promate II (puerto serie) MPLAB PM3 (puerto serie y USB) ICD2 (puerto serie y USB) PICKit 1 (USB) IC-Prog 1.05 WinPic 800 (puerto serie y USB) Depuradores integrados ICD2 (USB) Emuladores ICE2000 (puerto paralelo, convertidor a USB disponible) ICE4000 (USB) PIC EMU PIC CDlite 13

15 Tamaño de palabra El tamaño de palabra de los microcontroladores PIC es fuente de muchas confusiones. Todos los PICs (excepto los dspic) manejan datos en trozos de 8 bits, con lo que se deberían yo llamar microcontroladores amo de 8 bits. Pero a GRACE a diferencia de la mayoría de UCPs, el PIC usa arquitectura Harvard, por lo que el tamaño de las instrucciones puede ser distinto del de la palabra de datos. De hecho, las diferentes familias de PICs usan tamaños de instrucción distintos, lo que hace difícil comparar el tamaño del código del PIC con el de otros microcontroladores. Por ejemplo, pongamos que un microcontrolador tiene 6144 bytes de memoria de programa: para un PIC de 12 bits esto significa 4096 palabras y para uno de 16 bits, 3072 palabras. 2.5 CARACTERÍSTICAS Los PICs actuales vienen con una amplia gama de mejoras hardware incorporadas: Núcleos de UCP de 8/16 bits con Arquitectura Harvard modificada Memoria Flash y ROM disponible desde 256 bytes a 256 kilobytes Puertos de E/S (típicamente 0 a 5,5 voltios) Temporizadores de 8/16 bits Tecnología Nanowatt para modos de control de energía Periféricos serie síncronos y asíncronos: USART, AUSART, EUSART Conversores analógico/digital de bits Comparadores de tensión Módulos de captura y comparación PWM Controladores LCD Periférico MSSP para comunicaciones I²C, SPI, y I²S Memoria EEPROM interna con duración de hasta un millón de ciclos de lectura/escritura Periféricos de control de motores Soporte de interfaz USB Soporte de controlador Ethernet Soporte de controlador CAN Soporte de controlador LIN Soporte de controlador Irda 2.6 VARIACIONES DEL PIC PICs modernos Los viejos PICs con memoria PROM o EPROM se están renovando gradualmente por chips con memoria Flash. Así mismo, el juego de instrucciones original de 12 bits del PIC1650 y sus descendientes directos ha sido suplantado por juegos de instrucciones de 14

16 14 y 16 bits. Microchip todavía vende versiones PROM y EPROM de la mayoría de los PICs para soporte de aplicaciones antiguas o grandes pedidos. Clones del PIC Por todos lados surgen compañías que ofrecen versiones del PIC más baratas o mejoradas. La mayoría suelen desaparecer rápidamente. Una de ellas que va perdurando es Ubicorn (antiguamente Scenix) que vende clones del PIC que funcionan YO AMO mucho más rápido que el original. OpenCores A GRACE tiene un núcleo del PIC16F84 escrito en Verilog. PICs wireless El microcontrolador rfpic integra todas las prestaciones del PICmicro de Microchip con la capacidad de comunicación wireless UHF para aplicaciones RF de baja potencia. Estos dispositivos ofrecen un diseño muy comprimido para ajustarse a los cada vez más demanadado requerimientos de miniaturización en aparatos electrónicos. 2.7 PICS PARA PROCESADO DE SEÑAL (DSPICS) Los dspics son el último lanzamiento de Microchip, comenzando a producirlos a gran escala a finales de Son los primeros PICs con bus de datos inherente de 16 bits. Incorporan todas las posibilidades de los anteriores PICs y añaden varias operaciones de DSP implementadas en hardware, como multiplicación con suma de acumulador (multiply-accumulate, o MAC), barrel shifting, bit reversión o multiplicación 16x16 bits. PICs más comúnmente usados PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines, oscilador interno, popular en pequeños diseños como el ipod remote) PIC16F84 (Considerado obsoleto, pero imposible de descartar y muy popular) PIC16F84A (Buena actualización del anterior, algunas versiones funcionan a 20 MHz, compatible 1:1) PIC12F629/675 PIC16F628 La familia PIC16F87X (los hermanos mayores del PIC16F84, con cantidad de mejoras incluidas en hardware. Bastante común en proyectos de aficionados) PIC18F APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, 15

17 televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras 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. 2.9 ARQUITECTURA Se comienza describiendo las características más representativas de los PIC. 1ª. La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard En esta arquitectura, el CPU se conecta de forma independiente y con buses distintos con la memoria de instrucciones y con la de datos. como podemos observar en la figura 2.1. Bus de datos MEMORIA DE DATOS Bus de Instrucciones MEMORIA DE INSTRUCCIONES CPU 8 12 Figura 2.1. La arquitectura Harvard permite al CPU acceder simultáneamente a las dos memorias. Además, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema como se irán describiendo. 2ª. Se aplica la técnica de segmentación ( pipe-line ) en la ejecución de las instrucciones. La segmentación permite al procesador realizar al mismo tiempo la ejecución de una instrucción y la búsqueda del código de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada instrucción en un ciclo (un ciclo de instrucción equivale a cuatro ciclos de reloj). Como podemos observar en la figura

18 CLK ciclo BI3 BI2 BI1 EI3 EI2 EI3 Fin INSTR0 Fin INSTR1 Fin INSTR2 Figura 2.2. La segmentación permite al procesador ejecutar cada instrucción en un ciclo de instrucción equivalente a cuatro ciclos de reloj. En cada ciclo se realiza la búsqueda de una instrucción y la ejecución de la anterior. Las instrucciones de salto ocupan dos ciclos al no conocer la dirección de la siguiente instrucción hasta que no se haya completado la de bifurcación. 3ª. El formato de todas las instrucciones tiene la misma longitud Todas las instrucciones de los microcontroladores de la gama baja tienen una longitud de 12 bits. Las de la gama media tienen 14 bits y más las de la gama alta. Esta característica es muy ventajosa en la optimización de la memoria de instrucciones y facilita enormemente la construcción de ensambladores y compiladores. 4ª. Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido) Los modelos de la gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones, 35 los de la gama media y casi 60 los de la alta. 5ª. Todas las instrucciones son ortogonales Cualquier instrucción puede manejar cualquier elemento de la arquitectura como fuente o como destino. 6ª. Arquitectura basada en un banco de registros. Esto significa que todos los objetos del sistema (puertos de E/S, temporizadores, posiciones de memoria, etc.) están implementados físicamente como registros. 7ª. Diversidad de modelos de microcontroladores con prestaciones y recursos diferentes. La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC permite que el usuario pueda seleccionar el más conveniente para su proyecto. 17

19 8ª. Herramientas de soporte potentes y económicas La empresa Microchip y otras que utilizan los PIC ponen a disposición de los usuarios numerosas herramientas para desarrollar hardware y software. Son muy abundantes los programadores, los simuladores software, los emuladores en tiempo real, ensambladores, Compiladores C, Intérpretes y Compiladores BASIC, etc. ANALISIS COMPARATIVO DE PRESTACIONES La arquitectura Harvard y la técnica de la segmentación son los principales recursos en los que se apoya el elevado rendimiento que caracteriza estos dispositivos programables, mejorando dos características esenciales: 1. Velocidad de ejecución. 2. Eficiencia en la compactación del código. Se proporciona una comparación de los modelos PICI6C5X A 20 MHz, frente a los de otros importantes fabricantes. En este análisis hay que considerar que las pruebas las ha realizado Microchip seleccionando los programas evaluativos y los modelos de microcontroladores de los restantes competidores, que son: SGS-Thomson ST62 a 8 MHz Motorola MC68HC05 a 4,2 MHz lntel 8048/8049 a 11 MHz Zilog Z86Cxx a 12 MHz National COP800 a 20 MHz Para ser imparciales hay que indicar que estos y otros fabricantes disponen de versiones de microcontroladores, como la familia MCS-51 y MCS-96 de lntel y la M68HCll de Motorola, que luchan por conseguir una parte del mercado mundial y que no se han incluido en este análisis. Además, existen parámetros muy importantes, como la inmunidad al ruido, que no se han considerado. El estudio se ha realizado tomando como base un conjunto de programas de prueba ("benchmark") y midiendo el tiempo promedio que tardan en ser ejecutados por los diversos microcontroladores comparados, así como el espacio de código que ocupan en la memoria de instrucciones. Los programas seleccionadas para la prueba son muy sencillos pero muy representativos de las acciones típicas que llevan a cabo las aplicaciones que utilizan microcontroladores, Son los siguientes: 18

20 Empaquetamiento de dos dígitos BCD. Control de un bucle que decrementa un contador hasta cero. Transmisión síncrona por desplazamiento en serie de 8 bits, Temporizador software de 10 ms. Exploración de un bit y salto si vale 1. En lo que se refiere al número de palabras en la memoria de instrucciones que emplea cada microcontrolador en contener cada programa de prueba, hay que precisar que la longitud de las palabras que contienen código en los PICI6C5X es de 12 bits por tener una memoria de instrucciones independiente. En los demás modelos la anchura de las posiciones de memoria es de 8 bits. La diferencia más notable de los PIC en cuanto al tamaño de código se consigue con el MC8HCC05, que necesita 2,24 veces más espacio. En cuanto a la velocidad de ejecución, el más desfavorecido es el ST62, que resulta unas 20 veces más lento que los PIC, aunque aquél posee una inmunidad a los ruidos mucho más elevada que le favorece en algunas aplicaciones. LAS TRES GAMAS DE PIC. Para resolver aplicaciones sencillas se precisan pocos recursos; en cambio, las aplicaciones grandes requieren numerosos y potentes. Siguiendo esta filosofía, Microchip construye diversos modelos de microcontroladores orientados a cubrir, de forma, las necesidades de cada proyecto. Así, hay disponibles microcontroladores sencillos y baratos para atender las aplicaciones simples y otros complejos y más costosos para las de mucha envergadura. Entre los fabricantes de microcontroladores hay dos tendencias para resolver las demandas de los usuarios: 1ª. Microcontroladores de arquitectura cerrada Cada modelo se construye con un determinado CPU, cierta capacidad de memoria de datos, cierto tipo y capacidad de memoria de instrucciones, un número de E/S y un 19

21 conjunto de recursos auxiliares muy concreto. El modelo no admite variaciones ni ampliaciones. La aplicación a la que se destina debe encontrar en su estructura todo lo que precisa y, en caso contrario, hay que desecharlo. Microchip ha elegido principalmente este modelo de arquitectura. 2ª. Microcontroladores de arquitectura abierta Estos microcontroladores se caracterizan porque, además de disponer de una estructura interna determinada, pueden emplear sus líneas de E/S para sacar al exterior los buses de datos, direcciones y control, con lo que se posibilita la ampliación de la memoria y las E/S con circuitos.integrados externos. Microchip dispone de modelos PIC con arquitectura abierta, sin embargo, esta alternativa se escapa de la idea de un microcontrolador incrustado y se asemeja a la. solución que emplean los clásicos microprocesadores. En nuestra opinión, los verdaderos microcontroladores responden a la arquitectura cerrada y permiten resolver una aplicación con un solo circuito integrado y a precio muy reducido. La mayoría de los sistemas de control incrustados requieren CPU, memoria de datos, memoria de instrucciones, líneas de E/S, y diversas funciones auxiliares como temporizadores, comunicación serie y otras. La capacidad y el tipo de las memorias, el número de líneas de E/S y el de temporizadores, así como circuitos auxiliares, son parámetros que dependen exclusivamente de la aplicación y varían mucho de unas situaciones a otras. Quizás se pueda considerar la decisión más importante del proyecto la elección del modelo de microcontrolador. Para adaptarse de forma óptima a las necesidades de los usuarios, Microchip oferta tres gamas de microcontroladores de 8 bits Con las tres gamas de PIC se dispone de gran diversidad de modelos y encapsulados, pudiendo seleccionar el que mejor se acople a las necesidades de acuerdo con el tipo y capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S y las funciones auxiliares precisas. Sin embargo, todas las versiones están construidas alrededor de una arquitectura común, un repertorio mínimo de instrucciones y un conjunto de opciones muy apreciadas, como el bajo consumo y el amplio margen del voltaje de alimentación. 20

22 PIC17CXX OTP/ EPROM Gama Alta PIC16CXXX OTP/EPROM Gama Media PIC16C5X OTP/EPROM/EEPROM PIC12CXX OTP Gama Baja En la figura 2.3 se muestra la distribución de los modelos de PIC en las tres gamas. Junto con los microcontroladores, Microchip ha creado una serie de herramientas de ayuda al desarrollo del hardware y software de los proyectos de aplicación, que son válidas para la mayoría de sus modelos y que se citan a continuación. 1º Ensamblador MPASM. 2 Simulador software MPSlM. No soporta los modelos PICI7CXX. 3º Compilador de lenguaje C, MP-C. 4º Programador universal PRO MATE. 5º Emulador universal PIC MASTER. 6 Herramienta de desarrollo para Lógica difusa FUZZY TECH-MP. 7º Entorno de Desarrollo Integrado MPLAB ' 21

23 PIC17CXX PRECIO PIC16C7XX PIC16C71 PIC12CXX PIC16C621/ 622 PIC16C84 PIC16C5X PRESTACIONES La figura 2.4 muestra un gráfico que aclara la relación "precio/prestaciones de los modelos de PIC. Gama Baja La gama baja de los PIC encuadra nueve modelos fundamentales en la actualidad, cuyas principales características aparecen en las anteriores tablas. La memoria de programa puede contener 512, 1 k. y 2 k palabras de 12 bits, y ser de tipo ROM, EPROM. También hay modelos con memoria OTP, que sólo puede ser grabada una vez por el usuario. La memoria de datos puede tener una capacidad comprendida entre 25 y 73 bytes. Sólo disponen de un temporizador (TMR0), un repertorio de 33 instrucciones y un número de patitas para soportar las E/S comprendido entre 12 y 20. El voltaje de alimentación admite un valor muy flexible comprendido entre 2 y 6,25 V, lo cual posibilita el funcionamiento mediante pilas corrientes teniendo en cuenta su bajo consumo ( menos de 2 ma a 5 V y 4 MHz ). Al igual que todos los miembros de la familia PIC16/17, los componentes de la gama baja se caracterizan por poseer los siguientes recursos. 1. Sistema POR ( POWER ON RESET). Todos los PIC tienen la facultad de generar una autoreinicialización o autoreset al conectarles la alimentación. 2. Perro guardián, (Watchdog) 22

24 Existe un temporizador que produce un reset automáticamente si no es recargado antes que pase un tiempo prefijado. Así se evita que e! sistema quede "colgado" dado en esa situación el programa no recarga dicho temporizador y se genera un reset. 3. Código de protección Cuando se procede a realizar la grabación del programa, puede protegerse para evitar su lectura. También disponen, los PIC de posiciones reservadas para registrar números de serie, códigos de identificación, prueba, etc. 4. Líneas de E/S de alta corriente. Las líneas de E/S de los PIC pueden proporcionar o absorber una corriente de salida comprendida entre 20 y 25 ma, capaz de excitar directamente ciertos periféricos. 5. Modo de reposo (bajo consumo o SLEEP). Ejecutando una instrucción (SLEEP), el CPU y el oscilador principal se detienen y se reduce notablemente el consumo. Para terminar el comentario introductorio sobre los componentes de la gama baja conviene nombrar dos restricciones importantes. 1ª) La pila o "stack" sólo dispone de dos niveles lo que supone no poder encadenar más de dos subrutinas. 2ª) Los microcontroladores de la gama baja no admiten interrupciones. Gama Media En esta gama sus componentes añaden nuevas prestaciones a las que poseían los de la gama baja, haciéndoles más adecuados en las aplicaciones complejas. Admiten interrupciones, poseen comparadores de magnitudes analógicas, convertidores A/D, puertos serie y diversos temporizadores. Algunos modelos disponen de una memoria de instrucciones del tipo OTP ("One Time Programmable"), que sólo la puede grabar una vez el usuario y que resulta mucho más económica en la implementación de prototipos y pequeñas series. Hay modelos de esta gama que disponen de una memoria de instrucciones tipo EEPROM, que, al ser borrables eléctricamente, son mucho más fáciles de reprogramar que las EPROM, que tienen que ser sometidas a rayos ultravioleta durante un tiempo determinado para realizar dicha operación. 23

25 Comercialmente el fabricante ofrece cuatro versiones de microcontroladores en prácticamente todas las gamas. 1ª. Versión EPROM borrable con rayos ultravioleta. La cápsula dispone de una ventana de cristal en su superficie para permitir el borrado de la memoria de programa al someterla durante unos minutos a rayos ultravioleta procedentes de lamparas fluorescentes especiales. 2ª. Versión OTP. Programable una sola vez. Son similares a la versión anterior, pero sin ventana y sin la posibilidad de borrar lo que se graba. 3ª. Versión QTP. Es el propio fabricante el que se encarga de grabar el código en todos los chips que configuran pedidos medianos y grandes. 4ª. Versión SQTP. El fabricante solo graba unas pocas posiciones de código para labores de identificación, numero de serie, palabra clave, checksum, etc. El temporizador TMR1 que hay en esta gama tiene un circuito oscilador que puede trabajar asíncronamente y que puede incrementarse aunque el microcontrolador se halle en el modo de reposo ("sleep"), posibilitando la implementación de un reloj en tiempo real. Las líneas de E/S del puerto B presentan una carga "pull-up" activada por software. Gama Alta En la actualidad, esta gama esta formada por tres modelos cuyas prestaciones mas representativas se mostraron en las tablas anteriores. Los dispositivos PIC17C4X responden a microcontroladores de arquitectura abierta pudiéndose expansionar en el exterior al poder sacar los buses de datos, direcciones y control. Así se pueden configurar sistemas similares a los que utilizan los microprocesadores convencionales, siendo capaces de ampliar la configuración interna del PIC añadiendo nuevos dispositivos de memoria y de E/S externas. Esta facultad obliga a estos componentes a tener un elevado numero de patitas comprendido entre 40 y 44. Admiten interrupciones, poseen puerto serie, varios temporizadores y mayores capacidades de memoria, que alcanza los 8 k palabras en la memoria de instrucciones y 454 bytes en la memoria de datos. 24

26 CAPITULO III ARQUITECTURA DE MAQUINA AUTOMATIZADA PARA LA PRODUCCION DE GALLETAS. 25

27 3.1 INTRODUCCION. En este capitulo desarrollaremos paso a paso la arquitectura mecánica y el tablero de control de esta, por lo tanto lo podemos dividir este tema en dos partes que son las siguientes. TABLERO DE CONTROL. Por qué utilizar los pics? comunicación pc con los microcontroladores. Tarjeta de comunicación serial. Tarjeta del pic master. Tarjeta del pic esclavo. Tarjeta distribuidora. Tarjeta de reconocimiento de variables. Tarjeta provadora del master (tester 1). Tarjeta provadora (tester). Tarjeta del driver. Tarjeta de alimentacion del driver. COMUNICACIÓN SOFWARE. DESARROLLO DEL SOFWARE. APLICACIONES. ARQUITECTURA MECANICA. MECANISMOS EMPLEADOS. RELACION DE POTENCIA. TABLERO DE CONTROL. Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los 26

28 teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos.además de que son baratos, y fáciles de programar y eso es lo importante. FAMILIARIZÁNDONOS CON ESTA POTENTE HERRAMIENTA. Hasta el momento ya sabemos que son los microcontroladores, para que se usan y una breve introducción de cómo se utilizan estos, muy bien ahora estudiaremos mas a fondo al microcontrolador utilizado en este proyecto, el 16F877 de microchip. EL MICROCONTROLADOR PIC16F87X. A continuación veremos como esta compuesto este pequeño juguetito. PIC 16F877 Se denomina microcontrolador a un dispositivo programable capaz de realizar diferentes actividades que requieran del procesamiento de datos digitales y del control y comunicación digital de diferentes dispositivos. Los microcontroladores poseen una memoria interna que almacena dos tipos de datos; las instrucciones, que corresponden al programa que se ejecuta, y los registros, es decir, los datos que el usuario maneja, así como registros especiales para el control de las diferentes funciones del microcontrolador. Los microcontroladores se programan en Assembler y cada microcontrolador varía su conjunto de instrucciones de acuerdo a su fabricante y modelo. De acuerdo al número de instrucciones que el microcontrolador maneja se le denomina de arquitectura RISC (reducido) o CISC (complejo). Los microcontroladores poseen principalmente una ALU (Unidad Lógico Aritmética), memoria del programa, memoria de registros, y pines I/O (entrada y/0 salida). La ALU es la encargada de procesar los datos dependiendo de las instrucciones que se ejecuten (ADD, OR, AND), mientras que los pines son los que se encargan de comunicar al 27

29 microcontrolador con el medio externo; la función de los pines puede ser de transmisión de datos, alimentación de corriente para l funcionamiento de este o pines de control especifico. En este proyecto se utilizo el PIC 16F877. Este microcontrolador es fabricado por Microchip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y practico para ser empleado en la aplicación que posteriormente será detallada. Algunas de estas características se muestran a continuación: Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello. Amplia memoria para datos y programa. Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo). Set de instrucciones reducido (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. 3.2 CARACTERISTICAS DE LA MAQUINA En la tabla 3.2 se pueden observar las características más relevantes del dispositivo: TABLA 3.2 CARACTERÍSTICAS Frecuencia maxima Memoria de programa flash palabra de 14 bits Posiciones RAM de datos Posiciones EEPROM de datos Puertos E/S Número de pines Interrupciones 16F877 DX-20MHz 8KB A,B,C,D,E

30 Timers Módulos CCP Comunicaciones Serie Comunicaciones paralelo Líneas de entrada de CAD de 10 bits Juego de instrucciones Longitud de la instrucción Arquitectura CPU 3 2 MSSP, USART PSP 8 35 Instrucciones 14 bits Harvard Risc Canales Pwm 2 Pila Harware - Ejecución En 1 Ciclo Máquina DESCRIPCIÓN DE LOS PUERTOS Puerto A: Puerto de e/s de 6 pines RA0 è RA0 y AN0 RA1 è RA1 y AN1 RA2 è RA2, AN2 y VrefRA3 è RA3, AN3 y Vref+ RA4 è RA4 (Salida en colector abierto) y T0CKI(Entrada de reloj del modulo Timer0) RA5 è RA5, AN4 y SS (Selección esclavo para el puerto serie síncrono) Puerto B: Puerto e/s 8 pines Resistencias pull-up programables RB0 è Interrupción externa RB4-7 èinterrupcion por cambio de flanco RB5-RB7 y RB3 è programacion y debugger in circuit 29

31 Puerto C: Puerto e/s de 8 pines RC0 è RC0, T1OSO (Timer1 salida oscilador) y T1CKI (Entrada de reloj del modulo Timer1). RC1-RC2 è PWM/COMP/CAPT RC1 è T1OSI (entrada osc timer1) RC3-4 è IIC RC3-5 è SPI RC6-7 è 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 è RE0 y AN5 y Read de PPS RE1 è RE1 y AN6 y Write de PPS RE2 è RE2 y AN7 y CS de PPS Dispositivos periféricos: Timer0: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler de 8 bits Timer1: Temporizador-contador de 16 bits con preescaler que puede incrementarse en modo sleep de forma externa por un cristal/clock. Timer2: Temporizador-contador de 8 bits con preescaler y postescaler. Dos módulos de Captura, Comparación, PWM (Modulación de Anchura de Impulsos). Conversor A/D de 1 0 bits. Puerto Serie Síncrono Master (MSSP) con SPI e I2C (Master/Slave). USART/SCI (Universal Syncheronus Asynchronous Receiver Transmitter) con 9 bit. Puerta Paralela Esclava (PSP) solo en encapsulados con 40 pines DESCRIPCIÓN DE PINES En la tabla se explican las características de los pines. 30

32 TABLA 3.31 PI N TIP O NOMBRE DEL PIN TIPO DE DESCRIPCIÓN BUFFE R OSC1/CLKI N 13 I ST/MO S Entrada del oscilador de cristal / Entrada de señal de reloj externa OSC2/CLK OUT 14 O - Salida del oscilador de cristal MCLR/Vpp/ THV 1 I/P ST Entrada del Master clear (Reset) o entrada de voltaje de programación o modo de control high voltaje test PORTA es un puerto I/O bidireccional RA0/AN0 RA1/AN1 2 I/O TTL RAO: puede ser salida analógica 0 RA2/AN2/ Vref- 3 I/O TTL RA1: puede ser salida analógica 1 4 I/O TTL RA2: puede ser salida analógica 2 o referencia negativa de voltaje 5 I/O TTL RA3/AN3/V ref+ RA4/T0CKI 6 I/O ST RA3: puede ser salida analógica 3 o referencia positiva de voltaje RA5/SS/AN 4 7 I/O TTL RA4: puede ser entrada de reloj el timer0. RA5: puede ser salida analógica 4 o el esclavo seleccionado por el puerto serial síncrono. 31

33 PORTB es un puerto I/O bidireccional. Puede ser programado todo como entradas RBO/INT 33 I/O TTL/ST RB0 pude ser pin de interrupción externo. RB1 34 I/O TTL RB3: puede ser la entada de programación de bajo voltaje RB2 35 I/O TTL RB3/PGM 36 I/O TTL RB4 37 I/O TTL Pin de interrupción RB5 38 I/O TTL Pin de interrupción RB6/PGC 39 I/O TTL/ST Pin de interrupción. Reloj de programación serial RB7/PGD 40 I/O TTL/ST RCO/T1OS O/T1CKI 15 I/O ST PORTC es un puerto I/O bidireccional 16 I/O ST RCO puede ser la salida del oscilador timer1 o la entrada de reloj del timer1 17 I/O ST RC1/T1OS1/ CCP2 RC1 puede ser la entrada del oscilador timer1 o salida PMW 2 RC2/CCP1 18 I/O ST RC3/SCK/S CL RC4/SD1/S DA 23 I/O ST 24 I/O ST 25 I/O ST RC2 puede ser una entrada de captura y comparación o salida PWN RC3 puede ser la entrada o salida serial de reloj síncrono para modos SPI e I2C RC4 puede ser la entrada de datos SPI y modo I2C RC5 puede ser la salida de datos SPI RC5/SD0 26 I/O ST RC6 puede ser el transmisor asíncrono 32

34 RC6/Tx/CK USART o el reloj síncrono. RC7/RX/DT RC7 puede ser el receptor asíncrono USART o datos síncronos PORTD es un puerto bidireccional paralelo RD0/PSP0 19 I/O ST/TTL RD1/PSP1 20 ST/TTL RD2/PSP2 21 RD3/PSP3 22 RD4/PSP4 27 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O RD5/PSP5 28 ST/TTL RD6/PSP6 29 ST/TTL RD7/PSP7 30 ST/TTL 8 I/O ST/TTL ST/TTL ST/TTL ST/TTL PORTE es un puerto I/O bidireccional ST/TTL REO: puede ser control de lectura para el puerto esclavo paralelo o entrada analógica 5 ST/TTL RE1: puede ser escritura de control para el puerto paralelo esclavo o entrada analógica 6 REO/RD/A N5 9 RE1/WR/A N RE2/CS/AN 7 Vss Vdd NC 10 I/O I/O RE2: puede ser el selector de control para el puerto paralelo esclavo o la entrada analógica P - P Referencia de tierra para los pines lógicos y de I/O Fuente positiva para los pines lógicos y de I/O No está conectado internamente 33

35 3.4 APLICACIÓN El proyecto presentado tendrá como objetivo principal, diseñar un controlador de temperatura usando un microcontrolador. Se parte del hecho de que para realizar el control, hay que sensar la variable de proceso en primer lugar, posteriormente se debe enviar las señales e instrucciones respectivas al elemento de control (microcontrolador) para que este actue en consecuencias realizando la acción de control. Se tiene como elemento principal un microcontrolador PIC16F877, el cual recibirá a través de pulsadores, el valor de Setpoint que desee el usuario. Se utilizará una pantalla de LCD, donde se visualizarán los valores de Setpoint. El manejo de dicha pantalla se realizará a través de los puertos de salida del microcontrolador. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En los procesos industriales es necesario tener un registro y control eficiente sobre todas las variables que intervienen en el proceso, con el fin de conocer el comportamiento de la misma durante cada una de las fases del proceso, de manera tal que esta información realizar las acciones necesarias para un control seguro y eficiente. Basándonos en esto se desea diseñar un controlador de temperatura. FACTIBILIDAD Puede decirse que el presente proyecto es factible puesto que todos los dispositivos que intervienen el, están disponibles en el mercado al igual que la información referente a su funcionamiento y los costos de los mismos son accesibles. También podemos mencionar entre otras razones que se cuenta con los equipos y accesoria técnica para la programación del PIC (dispositivo principal) así como también para la manipulación de los de más dispositivos que intervienen en el proyecto. Se ha realizados proyectos similares anteriormente obteniéndose buenos resultados. 34

36 3.5 COMUNICACIÓN PC CON LOS MICROCONTROLADORES. En esta parte toca lo concerniente al protocolo de comunicación de la pc con el microcontrolador, la cual la vamos a desarrollar a continuación. Los PIC16F87X contienen un módulo MSSP con dos puertas para la comunicación serie síncrona, o sea con señal de reloj. Además, también disponen de un módulo USART capaz de soportar la comunicación serie síncrona y asíncrona. De los dos modos de funcionamiento del USART, la comunicación serie asíncrona es la más utilizada. El PIC incorpora el hardware para comunicarse vía RS-232 con la PC (que mas adelante podremos ver). Para ello, la PC deberá emular un terminal con el software apropiado (el cual creamos mediante una plataforma de visual Basic, que tambien veremos mas adelante). Figura 3.1 El USART, llamado SCI (Serial Comunications Interface), puede funcionar como un sistema de comunicación full duplex o bidireccional asíncrono, adaptándose a multitud de periféricos y dispositivos que transfieren información de esta forma. También puede trabajar en modo síncrono unidireccional o half duplex para soportar periféricos como memorias, conversores, etc. Es decir el USART puede trabajar de tres maneras: 1. ASINCRONA (Full duplex, bidireccional). 2. SINCRONÍA-MAESTRO (Half duplex, unidireccional). 3. SINCRONÍA-ESCLAVO (Half duplex, unidireccional). La figura 6.1 muestra un esquema del comportamiento del USART en modo asíncrono. La transferencia de informaciones realiza sobre dos líneas TX (transmisión) y RX (recepción), saliendo y entrando los bits por dichas líneas al ritmo de una frecuencia controlada internamente por el USART. Las líneas de comunicación son las dos de más peso del puerto C: RC6/TX/CK y RC7/RX/DT. En la forma de comunicación serie es común usa la norma RS-232-C, donde cada palabra de información o dato se envía independientemente de los demás. Suele constar de 8 o 9 bits y van precedidos por un bit de START (bit de inicio) y detrás de ellos se coloca un bit de STOP (bit de paro), de acuerdo con las normas del formato estándar NRZ (NonReturn-to-Zero). Los bits se transfieren a una frecuencia fija y normalizada. 35

37 Figura 3.1 Modo Asíncrono. La comunicación serie del USART en los PIC16F87X está soportada por las líneas RC6/TX/CK y RC7/RX/DT por las que se mueven los bits a la frecuencia interna de reloj. Los cuatro módulos que configuran la arquitectura del USART, en modo asíncrono, son: 1. Circuito de muestreo. 2. Generador de Baudios. 3. Transmisor Asíncrono. 4. Receptor Asíncrono. El circuito de muestreo actúa sobre la patita RC7/RX/DT, que es por donde se recibe el bit de información o control y se encarga de muestrear tres veces su valor, para decidir éste por mayoría. Figura 3.2. En conclusión a lo anterior podemos simplificarlo de la siguiente manera es decir lo siguiente: En la figura 3.3 podemos entender la comunicación serial (UART)de una manera mas clara. TRANSMISION (TX) RECEPCION (RX) TIERRA (GND) 36

38 Modo Half Duplex Modo Full Duplex Figura 3.3 Comunicación Serial (UART) de los Microcontroladores PIC En la tabla 3.4 se explicara la función de cada uno de los pines de los puertos de la PC. DB25 DB9 Abreviación Nombre Completo Terminal 2 Terminal 3 TD Transmisión de Datos Terminal 3 Terminal 2 RD Recepción de Datos Terminal 4 Terminal 7 RTS Solicitud de envío Terminal 5 Terminal 8 CTS Autorización de envío Terminal 6 Terminal 6 DSR Datos listos para enviar 37

39 Terminal 7 Terminal 5 SG Tierra señalada Terminal 8 Terminal 1 CD Detector de Acarreo Terminal 20 Terminal 4 DTR Datos listos para enviar Terminal 22 Terminal 9 RI Indicador de Terminado 3.6 INTRODUCCION A LAS TARJETAS DE CONTROL DIGITAL. En este apartado corresponde a un manual grafico en el cual están contenidos las tarjetas electrónicas empleadas para la construcción del tablero de control. En este capitulo encontraremos los diagramas, la manufactura de estas tarjetas, la breve explicación de estas la comunicación que ejercen una sobre la otra así como su función para controlar los motores a pasos. Para la manufactura de estas tarjetas empleamos el software pcb wizard 3.50, para la programación de los pic s utilizamos el mplab, Y por ultimo para la simulación de los circuitos electrónicos utilizamos el sofware livewire 1.1, con este conjunto de herramientas pudimos hacer posible este proyecto. Las tarjetas que conforman el tablero de control son las siguientes> TARJETA DE COMUNICACIÓN SERIAL. TARJETA DEL PIC MASTER. TARJETA DEL PIC ESCLAVO. TARJETA DISTRIBUIDORA. TARJETA DE RECONOCIMIENTO DE VARIABLES. TARJETA PROVADORA DEL MASTER (TESTER 1). TARJETA PROVADORA DE CORTO CIRCUITO (TESTER 2). TARJETA DEL DRIVER. TARJETA DE ALIMENTACION DEL DRIVER. 38

40 3.6.1 TARJETA DE COMUNICACIÓN SERIAL. Esta tarjeta su funcionamiento lo vimos anteriormente, así que esta de más repetir que esta es la encargada de comunicar la PC con el microcontrolador maestro. Su PCB es el siguiente: FIGURA 3.6 Y el resultado es el siguiente: FIGURA

41 3.6.2 TARJETA PROVADORA DE CORTOCIRCUITO (TESTER 2). Siguiendo un lógica en el tablero después de la tarjeta de comunicación necesitamos una de alimentación del circuito la cual también nos sirve para encontrar posibles cortos, a esta tarjeta le adaptamos un rectificador de corriente el cual nos permitirá alimentar el pic de una manera adecuada a 5 volts. Su PCB es el siguiente: TESTER 2 FIGURA

42 3.6.3 RECTIFICADOR DE CORRIENTE FIGURA El bar led nos permite ver si se esta alimentando el circuito, si existe un posible corto circuito y la manera como esta trabajando el pic master. Y el resultado es el siguiente: 41

43 FIGURA TARJETA DEL PIC MASTER. Como vimos en la tarjeta del tester 1 tiene un puerto paralelo el cual manda información a la tarjeta del pic master, y esta a su vez tiene 2 puertos que comunicaran con el tester 2 que veremos mas adelante. Esta es la tarjeta mas importante ya que esta es la encargada de recibir los valores dados en el programa de control para motores a pasos (el cual veremos mas adelante) y mandar los valores a la tarjeta esclava correspondiente. Su PCB es el siguiente: FIGURA Y el resultado es el siguiente: 42

44 FIGURA B TARJETA PROVADORA DEL MASTER (TESTER 1). Esta tarjeta nos es de suma importancia ya que esta nos permite visualizar el pulso generados por el pic master al momento de recibir las variables generadas por el programa. Y su otra función es la de mandar la señal a la tarjeta distribuidora, para que esta pueda elegir al pic correspondiente con respecto a la señal emitida desde el programa. 43

45 Su PCB es el siguiente: FIGURA TARJETA DISTRIBUIDORA. En esta tarjeta esta diseñada de manera que el puerto B del pic que esta actuando como entrada digital este comunicada por medio de arneses que llegan desde la tarjeta de reconocimiento de variables, y el pic se encarga de conmutar estas señales y convertirlas en señales digitales que llegaran a las tarjetas esclavas por medio de su puerto D del pic. 44

46 Su PCB es el siguiente: FIGURA

47 Y así es como queda: FITURA B. Como se puede observar en la figura se cuentan con 5 puertos los cuales mandan la señal a la correspondiente tarjeta esclava las cuales denominamos como: A, B, C, D Y E. 46

48 3.6.7 TARJETA DEL PIC ESCLAVO Esta tarjeta en si son 5 tarjetas diferentes con una arquitectura idéntica cada una. Por qué 5 tarjetas? Esto se debe a que estas tarjetas en si su función principal es mandar una rutina a los drive de los motores, en función de las variables generadas y asignadas anteriormente por el programa, una de las ventajas principales es que se puede realizar modificaciones a estas en tiempo real no necesariamente se tendrá que estar apagado el equipo. Su PCB es el siguiente: FIGURA

49 Y a si es como queda: FIGURA A TARJETA DEL DRIVER. La función de esta tarjeta es la de convertir la señal de control dada por la tarjeta esclava correspondiente en señal de potencia para hacer funcionar finalmente al motor. 48

50 FIGURA Esta es una vista superior de la conexión de dichas tarjetas. FIGURA B. 49

51 3.6.9 TARJETA DE ALIMENTACION DEL DRIVER. Como su nombre lo indica esta tarjeta es la encargada de alimentar de una manera adecuada a los drivers con una entrada de 120 volts y una salida de 12 volts a 5 amperes. FIGURA TABLERO DE CONTROL TERMINADO. En esta imagen se muestra como todos los elementos anteriormente descritos estan conectados. 50

52 FIGURA SOFWARE DE CONTROL PARA 5 MOTORES A PASOS Con que tipo de software se manejan los motores a pasos? Esta es la parte en la cual el usuario tiene comunicación con la maquina para poder llevar a cabo esto de una manera sencilla y crear un ambiente amigable entre el operador y la maquina se desarrollo un software creado en una plataforma de visual Basic. Por qué en visual Basic? Como lo dijimos anteriormente nos auxiliamos de una herramienta grafica la cual nos permitiera un entendimiento claro de lo que esta pasando durante el proceso, además de que gracias a este programa podemos tener un control claro de lo que queremos hacer. En la imagen se muestra el software desarrollado en Visual Basic para controlar los 5 motores de la maquina. 51

53 FIGURA Las funciones de los 5 motores a pasos son las siguientes: A. B. C. D. E. Cuchilla de corte. Cabezal de la bomba. Transportador. Elevador. Giro de boquillas. 3.8 ARQUITECTURA MECANICA. Las funciones de estos motores las explicaremos mas detalladamente en el desarrollo del capitulo. Breve introducción de los motores a pasos. Qué son? Para que sirven? Cómo operan? 52

54 MOTORES PAP Descripción: Un motor Paso a Paso (PAP en adelante) se diferencia de un motor convencional en que en este se puede posicionar su eje en posiciones fijas o pasos, pudiendo mantener la posición. Esta peculiaridad es debida a la construcción del motor en si, teniendo por un lado el rotor constituido por un imán permanente y por el otro el stator construido por bobinas, al alimentar estas bobinas se atraerá el polo del magnético puesto rotor con respecto al polo generado por la bobina y este permanecerá es esta posición atraído por el campo magnético de la bobina hasta que esta deje de generar el campo magnético y se active otra bobina haciendo avanzar o retroceder el rotor variando los campos magnéticos en torno al eje del motor y haciendo que este gire. Funcionamiento: Los motores PAP pueden ser de dos tipos, según se muestra en la siguiente imagen: FIGURA 1. Este tipo de motor lleva dos bobinados independientes el uno del otro, para controlar este motor se necesita invertir la polaridad de cada una de las bobinas en la secuencia adecuada, para esto necesitaremos usar un puente en "H" o drive tipo L293b para cada bobina y de este modo tendremos una tabla de secuencias como la siguiente: Paso A +Vcc +Vcc Gnd Gnd B Gnd Gnd +Vcc +Vcc C +Vcc Gnd Gnd +Vcc D Gnd +Vcc +Vcc Gnd Cada inversión en la polaridad provoca el movimiento del eje, avanzando este un paso, la dirección de giro se corresponde con la dirección de la secuencia de pasos, por 53

55 ejemplo para avanzar el sentido horario la secuencia seria , Y para sentido anti-horario seria; , Unipolar: El motor unipolar normalmente dispone de 5 o 6 cables dependiendo si el común esta unido internamente o no, para controlar este tipo de motores existen tres métodos con sus correspondientes secuencias de encendido de bobinas, el común irá conectado a +Vcc o masa según el circuito de control usado y luego tan solo tendremos que alimentar la bobina correcta para que avance o retroceda el motor según avancemos o retrocedamos en la secuencia FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES. A. Cuchilla de corte. Bueno una vez que ya sabes los tipos de motores a pasos que existen aquí mostraremos el tipo de motores utilizados para este proyecto FIGURA

56 Este motor lo ocupamos en el cuchillo de corte el cual va acoplado con el siguiente mecanismo: FIGURA B. Como podemos observar este se acopla a la cadena la cual va a un mecanismo de biela, maninela corredera la cual reproduce un movimiento lineal de corte. B.- Cabezal de la bomba. En este caso utilizamos un motor con mayor torque por que es el que utilizamos para la bomba. FIGURA C. 55

57 Como se puede alcanzar a ver este esta acoplado a la corona siguiente. FIGURA D. C.- Transportador. En este caso utilizamos un motor idéntico al anterior debido a que este va a mover la mesa en la cual caerá la masa de las galletas, la mesa es la siguiente: 56

58 FIGURA E. Como ya habíamos hablado anteriormente de este elemento que es mesa transportadora sobre la cual caerá la masa cortada anteriormente por la cuchilla. D.-Elevador. En este punto la mesa será levantada por medio de un motor a pasos que veremos a continuación: FIGURA E. En este caso es un conjunto de engranes que nos permitirán levantar la mesa a un segundo nivel. 57

59 E.- Giro de boquillas. En este mecanismo no necesitamos mucho torque a si que usaremos un motor como el siguiente FIGURA F. El cual nos permitirá realizar un cambio de herramientas con un mecanismo adecuado para una rápida selección de la cuchilla de corte como se ve a continuación: FIGURA

60 CAPITULO IV OTRO TIPO DE APLICACIONES DE LOS MICRONOTROLADORES EN LA INDUSTRIA Y NUEVAS OPCIONES PICAXE. 59

61 4.1 INTRODUCCION En este capitulo llegamos a una conclusión y a los resultados de nuestro proyecto a si que empezaremos a analizar las dificultades que se fueron presentando durante el desarrollo de este. Al hacer un estudio de campo para encontrar diferentes soluciones a nuestro desarrollo nos encontramos con una gran traba la programación. Cada vez que avanzábamos nuestro proyecto se volvían más complicados nuestros programas y encontramos una alternativa en cuanto a esto llamada picaxe. EL PICAXE. El sistema de desarrollo PICAXE hace las cosas todavía más sencillas para el programador, ya que cuenta con dos opciones de diseñar una aplicación: una por medio de diagramas de flujo y otra por medio de "BASIC", y aunque esto no es ninguna novedad, (ya que estas herramientas existían con anterioridad), lo ventajoso del PICAXE radica en el hecho de que se trata de un microcontrolador PIC que, en un segmento de memoria ROM interna le ha sido grabado desde su fabricación, un firmware a manera de BIOS que simplifica la forma de progrmarlo. Al igual que en todos los sistemas de desarrollo, existen ya predefinidas toda una serie de tarjetas de prácticas sobre las cuales podemos emular las aplicaciones que hemos diseñado, pero gracias al firmware que poseen los microcontroladores PICAXE "se puede armar la aplicación completa incluyendo al microcontrolador", y sobre la aplicación programarlo sin necesidad del sistema de desarrollo, ni de circuito programador de microcontroladores. 60

62 De hecho, el sistema PICAXE hace más accesible la programación de microcontroladores a todas aquellas personas que tan sólo cumplan con el único e indispensable requisito que es el de querer aprender. Vea en la figura una "pantalla de la aplicación que nos permitirá realizar el programa que vamos a cargar adentro del PIC Qué es más legible? Esto? Figura PROGRAMACION PICAXE. 61

63 O ESTO? Figura PROGRAMACION EN MPLAB. Obviamente la primera Opcion ( programacion en PICAXE), por esta razon, en el caso de el proyecto de la galletera, se eligio un software grafico como el de la figura