DESARROLLO DE UN PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR DISPOSITIVOS GENÉRICOS MULTIPROPÓSITOS

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1 DESARROLLO DE UN PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR DISPOSITIVOS GENÉRICOS MULTIPROPÓSITOS Vázquez 1 Raimundo*; Robledo 1, Alberto; Toledo, Pablo 1 ; Mason 1, Leoncio; Mariguetti, Jorge 1 ; Canali 2, Luis * GUDA-Grupo Universitario de Automatización 1 Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Resistencia French Resistencia-Chaco. República Argentina Tel: / Fax: / e.mail: ray_vazquez_2005@hotmail.com UTN Facultad Regional Cordoba 2. Maestro M. Lopez esq, Cruz Roja Argentina, Ciudad Universitaria, 5016 Córdoba, Argentina, luis.canali@gmail.com Resumen Se desarrolla un procedimiento para diseñar dispositivos genéricos multipropósito de bajo presupuesto para realizar tareas de control automático. Se emplea un compilador en lenguaje C denominado CCS para generar un software encargado de realizar tareas de automatización. Luego se articula un simulador de hardware denominado ISIS Proteus VSM con el software de automatización. El núcleo del dispositivo genérico es un microcontrolador conectado a sensores, conector USB y transmisión de datos vía wireless y dos relés. Mediante la herramienta de simulación denominada Proteus se realizó la puesta a punto del hardware. Luego se conectó físicamente los componentes electrónicos en un protoboar. En esta etapa el proyectista puede visualizar el comportamiento del dispositivo genérico en forma real y verificar su respuesta o posibles fallas. Luego de obtener un funcionamiento satisfactorio del dispositivo genérico en el protoboar se fabricó la placa de montaje. Para ello se empleó el diseño CAD a través del software denominado CadSoft EAGLE. El procedimiento descrito permitió reducir la probabilidad de falla del dispositivo genérico y además redujo el tiempo y esfuerzo de diseño. El desarrollo final obtenido es de bajo presupuesto, alta confiabilidad y buena calidad. Palabras clave: dispositivos genéricos, medidas sensoriales, automatismo, comunicación wíreless. Introducción El diseño de un dispositivo electrónico es muy complejo, pero gracias a los avances en software de computación podemos lograr excelentes resultados de manera profesional en poco tiempo y esfuerzo. En este sentido los dispositivos genéricos como lo muestra Vazquez et al. (2011) proporcionan una ayuda importante al diseñador de dispositivos electrónicos.

2 Conceptos Fundamentales Para diseñar un hardware genérico multipropósito, lo principal es fijar los tipos de dispositivos y los requerimientos necesarios para su correcto funcionamiento. En ese sentido los microcontroladores juegan un papel importante en trabajos de innovación tecnológica. Microcontroladores PIC Un microcontrolador es un circuito electrónico programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria de programa o memoria Flash. Posee varios bloques funcionales, los cuales cumplen tareas específicas. Los microcontroladores PIC son una familia de microcontroladores y el nombre actual no es un acrónimo y generalmente se utiliza la denominación Peripheral Interface Controller, es decir, controlador de interfaz periférico. El PIC es el encargado de hacer tareas de control automático como lo detalla Palacios et al. (2006) y siempre deben trabajar asociado a compiladores y herramientas de desarrollos como por ejemplo el simulador MPLAB o el compilador en lenguaje C denominado CCS. Compilador CCS C El compilador C denominado CCS ha sido desarrollado específicamente para microcontroladores PIC como lo detalla Saravia et al. (2011). El CCS facilita el desarrollo de proyectos tecnológicos a programadores poco experimentados debido al editor que controla la sintaxis del programa, la accesibilidad de una amplia librería de funciones predefinidas, comandos de procesado y ejemplos de proyectos. Además, suministra los controladores para diversos dispositivos como por ejemplo LCD, convertidor A/D, relojes en tiempo real, EEPROM serie, etc. El entorno de trabajo se visualiza en la figura 1. Figura 1. Editor del Compilador CCS en lenguaje C.

3 En este trabajo la utilización del CCS representa la primera parte en el desarrollo de un procedimiento que permita disminuir la probabilidad de falla del dispositivo genérico y además reducir el tiempo y esfuerzo en el diseño en la construcción de dispositivo genérico de bajo presupuesto. Dispositivo Genérico Para diseñar el dispositivo genérico se debe articular el microcontrolador con el software de control automático generado mediante el compilador CCS. Para tales fines es necesario utilizar una herramienta de simulación de hardware que permita a un proyectista poco experimentado y de bajo conocimiento de electrónica construir y diseñar circuitos electrónicos. Simuladores de Hardware El primer paso que debe realizar cualquier proyectista es representar el conjunto de dispositivos electrónico en un software encargado de simular el funcionamiento del dispositivo. En ese sentido el programa denominado ISIS Proteus VSM de LABCENTER ELECTRONICS ofrece la posibilidad de simular códigos de programas fuentes desarrollados en compiladores CCS o el simulador MPLAB. Esto permite el diseño tanto a nivel hardware como software. El software de simulación de hardware permite la visualización del funcionamiento del dispositivo en tiempo real, proporcionando al diseñador una idea del performance y rendimiento del hardware. Con las herramientas tradicionales de diseño, el desarrollo de software y la comprobación del sistema no puede realizarse hasta que se desarrolla un prototipo real, esto puede suponer semanas de retraso. Además, si se localiza algún error en el diseño de hardware, la totalidad del proceso debe repetirse afectando el tiempo en el desarrollo y costos de fabricación. Usando el Proteus, el desarrollo del software puede comenzar tan pronto como el esquemático es dibujado y la combinación de software y hardware puede ser testeada antes de montar el prototipo como lo sugiere Breijio (2008). La segunda parte del procedimiento destinado a construir el dispositivo genérico consiste en representar los diferentes componentes electrónicos en el software de simulación de hardware denominado Proteus como se muestra en la figura 2. Figura 2. Esquema ISIS Proteus VSM utilizado para simular el prototipo genérico.

4 El prototipo genérico realiza diferentes tareas de control automático mediante un archivo generado por el CCS y ejecutado en el simulado Proteus. El núcleo del hardware es un microcontrolador PIC conectado a sensores que permiten obtener información del medio exterior. También se visualiza un módulo USB y una antena inalámbrica. En esta etapa el proyectista tiene idea sobre posibles respuestas eléctrica o electrónica del hardware. El software de control automático desarrollado en el compilador CCS debe manejar diverso módulos de control. Para facilitar la puesta punto entre el software de automatización y el hardware se dividió el desarrollo en pequeños módulos como por ejemplo el módulo de los relés. De esta manera se puede detectar fallas o posibles conflictos entre dispositivos. Una vez obtenido el funcionamiento satisfactorio de cada módulo por separado, se integra el proyecto como un solo hardware. En la figura 3 se visualiza un circuito electrónico que pertenece a un sector del hardware genérico encargado de conectar por ejemplo un motor eléctrico. Figura 5. Módulo de Potencia. Figura 3. Módulo encargado en conectar un motor eléctrico. Prueba Física Real La tercera etapa del procedimiento encargado de construir el hardware genérico consiste en conectar los elementos electrónicos mostrados en la figura 2 en un dispositivo pedagógico de bajo presupuesto denominado protoboard según sugiere Angulo J et al. (2006). El protoboard es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo indica, es una tableta y sirve para experimentar con circuitos electrónicos. Se divide en bloques de plástico perforados con numerosas láminas delgadas, de una aleación de cobre, estaño y fósforo, que unen dichas perforaciones, creando una serie de líneas de conducción paralelas. Las líneas se cortan en la parte central del bloque de plástico para garantizar que los dispositivos integrados se inserten perpendicularmente como se muestra en la figura 4. Antena wireless 2.4 Ghz Microcontrolador Figura 26. Conexión en Protoboard. Protoboard Figura 4. Circuitos electrónicos conectados al protoboar.

5 Una vez obtenido un funcionamiento satisfactorio del hardware en el protoboar el proyectista debe pasar al diseño final del dispositivo genérico. Se utiliza para ello un software encargado de realizar diseños CAD en circuitos impresos. Diseño CAD con EAGLES La cuarte y última etapa del procedimiento para construir un dispositivo genérico de bajo presupuesto, confiable y de alta calidad consiste en representar en diseño CAD el circuito electrónico de la figura 2. El software denominado CadSoft EAGLE es un sencillo programa que permite realizar diseños de circuitos electrónicos. El programa tiene un tutorial de manejo desarrollado por Weiber (2010) explicando en sencillos pasos el procedimiento para realizar la placa del circuito. Básicamente posee tres módulos denominados: Diagramador, Editor de esquemas y un Autorouter que están integrados en el esquema y diseño. La aplicación permite diseñar circuitos impresos y realizar esquemas electrónicos. La utilización del editor de circuitos permite diseñar la placa mediante una función encargada de optimizar tareas de conexionado de las pistas conductoras en el circuito denominada diseño de Board. De esta manera se facilita las tareas del proyectista y evita posibles errores de diseño. El circuito electrónico y sus dimensiones físicas se visualizan en la figura 5. Figura 5. Visualización del circuito electrónico empleando el programa CadSoft EAGLE. Existen en la Argentina diversas empresas dedicadas a realizar circuitos impresos utilizando el software de diseño CAD CadSoft EAGLE. Por su intermedio se logro dos placas prototipo con los circuitos electrónicos conectados físicamente como se visualiza en la figura 6.

6 Alimentación Conectores Antena wireless 2.4 Ghz Conector USB 2.0 Microcontrolador Módulo Relé Sensor de temperatura Bus de datos Conexión al grabador PIC. Consideraciones Finales Figura 6. Visualización del dispositivo genérico de bajo presupuesto. Se destaca el sensor termohigrómetro denominado SHT71 y el transceptor de alta frecuencia TRF 2.6Ghz desarrollado por la empresa LAIPAC TECHNOLOGY debido a que no existe un protocolo estándar de comunicación para dichos dispositivos. En consecuencia se debió elaborar en el software de automatización y control una función escrita en lenguaje C que permita la comunicación entre el termohigrómetro, transceptor y el microcontrolador. Conclusión Se diseñó de un dispositivo genérico de bajo presupuesto para realizar tareas de control automático. Para facilitar su desarrollo se elaboró un procedimiento que consiste en diseñar un software encargado de realizar tareas de control automático utilizando un compilador en lenguaje C denominado CCS. Luego se articula el software de control automático con un microcontrolador mediante un simulador de hardware denominado ISIS Proteus VSM para reducir tiempo y esfuerzo. El núcleo del dispositivo genérico es un microcontrolador conectado a sensores, conector USB y transmisión de datos vía wireless y dos relés. Mediante la herramienta de simulación Proteus se realizo la puesta a punto del hardware. Luego se conectó físicamente los componentes electrónicos en un protoboar, de esta manera se logró visualizar el comportamiento del dispositivo genérico para verificar la respuesta real y prever posibles fallas. Luego de un funcionamiento satisfactorio del hardware en el protoboar se paso a la fabricación de la placa electrónica. Para ello se empleó el diseño CAD a través del software denominado CadSoft EAGLE. El procedimiento descrito permitió reducir la probabilidad de falla del dispositivo genérico y además disminuir el tiempo y esfuerzo de diseño. El desarrollo final obtenido es de bajo presupuesto, alta confiabilidad y buena calidad.

7 Referencia 1) ANGULO J., Microcontroladores PIC, diseño práctico de aplicaciones, Segunda parte PIC16F87X. Editorial Mc Graw Hill. Madrid España. Tercera parte. Laboratorio Experimental p ) BREIJIO G, Compilador C CCS y Simulador Proteus para Microcontroladores PIC. Editorial Alfaomega. Mexico. Mexico. Capítulo 1. p.1. 3) PALACIOS E,. REMIRO F,. LÓPEZ L, Microcontrolador PIC 18F84. Desarrollo de Proyectos. Editorial Ra-MA Alfaomega. Madrid España. Capítulo 1 p.1. 4) SARABIA A., CORIA A,. FIADINO S,. AIROLDI A, MPLAB X Y TÉCNICAS DE PROGRAMACIÓN CON LIBRERÍAS DE MICROCHIP. Mcelectronics, Buenos Aires Argentina. Capitulo 1 p.11. 5) WEIBER M., EAGLE Easil y Applicable Graphical Layout Editor. For Linux Max y Windows. En línea el día 5 de junio del ) VAZQUEZ R., TOLEDO P., COCERES M., MASON L., CANALI L,. (2011). Diseño y Construcción de una Herramienta Pedagógica utilizando Dispositivos Genéricos, Simulador y un Software de Control Automático. Editorial de la Universidad Tecnológica Nacional edutecne.