LABORATORIO DE SISTEMAS DIGITALES II

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1 LABORATORIO DE SISTEMAS DIGITALES II DISEÑO PROGRAMACIÓN DE UN HORNO Departamento de Sistemas Electrónicos y de Control Curso 2005/2006

2 INDICE 1.- INTRODUCCIÓN OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA DESARROLLO DE LA PRÁCTICA ETAPAS EN EL DISEÑO DE UN SISTEMA BASADO EN MICROPROCESADOR REALIZACIÓN DE UN SISTEMA PARA EL CONTROL DE UN HORNO PROGRAMABLE Definición de especificaciones funcionales del horno Definición de características eléctricas y mecánicas generales Valoración económica aproximada División modular del sistema Funcionamiento global del sistema Realización del software ESTUDIO PREVIO...12 APARTADO 1.- MÓDULO DE CONTROL DE TEMPERATURA APARTADO 2. MÓDULO DE ACTUACIÓN ACÚSTICA...12 APARTADO 3. DESCRIPCIÓN DE RECURSOS...12 HOJAS DE RESULTADOS...13 APARTADO 1. DESCRIPCIÓN DE FUNCIONES...13 APARTADO 2. - SOFTWARE

3 DISEÑO PROGRAMACIÓN DE UN HORNO 1.- Introducción. En este diseño se propone la realización de un sistema basado en el 80C552 capaz de controlar el funcionamiento de un horno programable cuyas especificaciones sean las que habitualmente requieren este tipo de electrodomésticos. Con ello ampliaremos el estudio de los periféricos más utilizados en un microcontrolador y además aprovecharemos para dar una visión de las diferentes etapas en el diseño de un sistema basado en microprocesador partiendo de unas especificaciones dadas. 2.- Objetivos de la práctica. Los objetivos a lograr realizando este desarrollo son: Especificación de las etapas en el diseño de un sistema basado en microcontrolador. Estudio y utilización de un conversor AD. Estudio y utilización de un generador de PWM Estudio y utilización de elementos estándar en este tipo de sistemas: elementos de entrada de datos, visualización de datos y procesamiento. Realización de un sistema para el control de un horno programable. 3.- Desarrollo de la práctica Etapas en el diseño de un Sistema basado en microprocesador. Uno de los temas más importantes en cualquier proceso de Ingeniería es la metodología de trabajo empleada. En el caso del diseño electrónico de un sistema basado en microprocesador, al igual que en casi todos, marcar unas etapas para su realización constituye la parte formal y básica de la misma. Aunque las etapas para la realización de cualquier actividad siempre van unidas a la precisión del detalle que se quiera cubrir en cada una de ellas, en el diagrama de la figura 1 se exponen las más esenciales y habituales para este tipo de diseños. 1.- Definición de especificaciones funcionales: bajo este enunciado deben indicarse todas las características que describan el funcionamiento del sistema desde el punto de vista tanto de la manipulación por un usuario como de forma automática. Definir bien y lo más completo posible este punto evitará mucho trabajo en etapas posteriores, ya que cambiar cualquier característica de funcionamiento cuando se llevan varias etapas del diseño desarrolladas implica repetir mucho trabajo

4 2.-Definición de características eléctricas y mecánicas generales: en este apartado se trata de fijar las características tanto eléctricas como mecánicas que se puedan conocer desde un principio y sobre todo si ellas imponen condicionantes al diseño, por ejemplo si el sistema es autónomo en cuanto su alimentación, si se le va a someter a grandes cambios de temperatura, a condiciones ambientales de ruido, vibraciones, etc. DISEÑO DE UN SISTEMA BASADO EN µp/µc 1.- DEFINICIÓN DE ESPECIFICACIONES FUNCIONALES 2.- DEFINICIÓN DE CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS GENERALES 3.- VALORACIÓN ECONÓMICA APROXIMADA (CONSULTA PROVEEDORES) 4.- DIVISIÓN MODULAR DEL SISTEMA (DEFINICIÓN DE ESPECIFICACIONES FUNCIONALES Y ELÉCTRICAS DE CADA MÓDULO)... MÓDULO 1 MÓDULO 2 MÓDULO N ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SUBSISTEMA (ANÁLISIS ELECTRÓNICO Y VALORACIÓN ECONÓMICA, CONSULTA DE CATÁLOGOS Y PROVEEDORES) 6.- MONTAJE DE UN PROTOTIPO HARDWARE (PRUEBAS HARDWARE)... NO 7.- REALIZACIÓN DEL SOFTWARE (SIMULACIÓN SOFTWARE) NO 8.- COMPROBACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL MÓDULO (HARDWARE Y SOFTWARE) FUNCIONA FUNCIONA NO FUNCIONA SI 9.- ELABORACIÓN DE DOCUMENTACIÓN SI 1-3 -

5 MONTAJE DEL PROTOTIPO DEL SISTEMA NO SI 11.- DEFINICIÓN Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE VALORACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO MODIFICAR MODULOS FUNCIONA NO 12.- ELABORACIÓN DE DOCUMENTACIÓN 13.- DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS DEL SISTEMA 14.- DEFINICIÓN Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS SOBRE CIRCUITO FINAL FUNCIONA NO 15.- ELABORACIÓN DE DOCUMENTACIÓN FIN DEL DISEÑO Figura Valoración económica aproximada: aunque parece que no tiene nada que ver con la parte técnica del desarrollo, un estudio económico, aunque somero como en este punto se propone, a veces puede ser vinculante para cambiar las características o los procedimientos de trabajo e incluso para seguir o no con el diseño. Lógicamente el cálculo del coste hay que realizarlo sobre los elementos más caros que se prevean en el sistema

6 Para una fácil consulta de precios son útiles los catálogos de importadores de componentes electrónicos (por ejemplo la empresa RS), que aunque suelen tener precios más elevados que nuestros proveedores habituales, disponen de una amplia gama de elementos y están bien organizados en bases de datos. 4.- División modular del sistema: en este punto y con la idea global de las etapas anteriores, se comienza a concretar el desarrollo. Para ello y con el fin de poder dividir el trabajo entre diferentes personas o para simplificar la complejidad del diseño total, se van identificando las diferentes etapas o módulos que pueden constituir el todo del desarrollo. La dificultad de esta división irá en función del propio sistema a diseñar pero debe ajustarse a que cada módulo sea lo más cercano a etapas clásicas en este tipo de circuitos: sistema central (microprocesador más memoria), etapa de entrada hardware, entrada de datos de usuario, visualización de datos, transferencia de datos serie, actuadores del sistema, etc. No basta con enumerar los módulos en que dividamos el sistema sino que cada uno de ellos debe quedar totalmente definido por las funciones que deben realizar, las entradas con que cuenta, las salidas que de él se obtienen y la relación si la hubiera entre ellos, tanto en su aspecto físico como de programación. Incluso generando un estudio de tiempos y prioridades para la realización de todos los módulos. 5 y 6.- Elección de los componentes de cada módulo y el montaje de un prototipo: en estas etapas se diseñaran los diferentes módulos eligiendo de entre las posibles soluciones las más indicadas por las características eléctricas y económicas de las marcadas anteriormente, consultando o anotando las posibles alternativas y/o mejoras si se diera el caso. Con la solución elegida, se realiza el montaje de un prototipo, normalmente en "wrapping" y se planifican y realizan las pruebas necesarias para el correcto funcionamiento del montaje realizado. Pruebas que no serán del comportamiento total del módulo (falta el software) sino de carácter eléctrico del montaje: cortocircuitos, continuidad en alimentación y masa, tensiones de referencia, etc. 7.- Realización del software: a la hora de realizar el programa, que haga funcionar al módulo que se está desarrollando, hay que procurar una división lo más completa del mismo, a través de la realización de funciones y subrutinas con el fin de poder utilizar algunas ya implementadas y poder indicar las pruebas que hay que hacer para comprobar su correcto funcionamiento por partes, lo que siempre resultará más fácil de verificar. La comprobación del software a través de un simulador ya se ha visto que es una etapa obligada tanto para la depuración de errores sintácticos como de ejecución del programa. Para ello en nuestro Sistema de Desarrollo contaremos con el simulador del microprocesador elegido. Seguramente el grado de dificultad mayor a la hora de simular un sistema puede estar constituido por la simulación del valor de ciertas entradas o de ciertos periféricos, pudiendo dejar estas comprobaciones para la etapa siguiente. 8.- Comprobación del funcionamiento del módulo: una vez seguros del buen comportamiento de parte del hardware y del software, debemos pasar a la comprobación del correcto funcionamiento del módulo en tiempo real, ejecutando el programa sobre el sistema central y módulo en estudio. Es importante someter al módulo a todos los casos posibles de comportamiento, inclusos a los más extraños si éstos pueden darse (tanto por error en las señales como por la manipulación de un usuario inexperto), y desde luego en las mismas - 5 -

7 condiciones en que vaya a ser usado en el sistema, para cubrir así situaciones que de darse posteriormente obligarán a vueltas atrás en el diseño. 9.- Elaboración de documentación: con todas las anotaciones tanto de diseño como de las pruebas realizas, hay que completar la documentación sobre el comportamiento, sobre situaciones de conflicto y características del módulo desarrollado lo más completa posible y que permita posteriormente recopilan la información completa del sistema. De la 10 a la 15.- como puede verse en el diagrama de la figura 1, todas estas etapas son igual que las desarrolladas para cada módulo pero uniéndolos entre sí para constituir el sistema, por lo que no es necesaria su justificación. En estas fases es habitual tener que volver a plantear algunas características de algún módulo que en solitario no se había tenido en cuenta pero que en conjunto es necesario modificar Realización de un sistema para el control de un horno programable. Como sistema a diseñar vamos a realizar un horno programable. Este diseño lo emplearemos para seguir las etapas mencionadas en el apartado anterior, aunque teniendo en cuenta que no utilizará un sistema compacto sino dos subsistemas que, conectados a la placa SEC-552, completen el sistema Definición de especificaciones funcionales del horno.- Las especificaciones funcionales del horno que se desea realizar son: El sistema deberá ser manejado por la tarjeta SEC-552 del laboratorio. Temperatura de trabajo: desde temperatura ambiente hasta 99 ºC. Programación por el usuario de: Temperatura de funcionamiento del horno (00-99 ºC). Duración del funcionamiento del horno (en minutos con un máximo de 99). Activación del funcionamiento del horno. El horno contará con un elemento visualizador de: Mensajes del estado del horno. Datos programados por el usuario. Dado que en el laboratorio no se dispone de un horno este estará simulado por los siguientes elementos: Un módulo de control de temperatura, que se basa en el efecto de disipación de una resistencia y un sensor de temperatura. Un modulo acústico para aviso de fin de funcionamiento

8 Definición de características eléctricas y mecánicas generales.- Eléctricas: Alimentación autónoma. Para su posterior utilización deberá contar con todas las señales de los conectores de expansión de la placa SEC-552. Mecánicas: Realización en una sola placa. Zona de caldeo y medida de temperatura separada del resto de los componentes Valoración económica aproximada.- Al ser una aplicación sencilla y que pretendemos desarrollar en base a un microcontrolador, esta primera evaluación económica no tiene mucho sentido sin haber elegido los módulos para su desarrollo División modular del sistema.- Aunque en la práctica la aplicación la desarrollaremos en torno a la tarjeta SEC-552 podemos, como trabajo teórico, definir los diferentes módulos que usaríamos si no partiéramos de la utilización de dicho hardware. Para ello lo más lógico sería definir los periféricos necesarios y el microcontrolador del sistema elegirlo dentro de la familia que usemos, en este caso la familia 80C51. En cuanto a los bloques a generar para el desarrollo de nuestro sistema, parece evidente si repasamos las especificaciones que necesitaremos: Un bloque de alimentación. Un bloque para el microcontrolador y circuitos anexos básicos (reset, reloj, etc). Un bloque para introducción de datos al sistema. Un bloque para representación de datos. Un bloque para el control de la temperatura del horno. Un bloque para la actuación acústica. La tarjeta SEC-552 ya cuenta con todos los bloques enumerados a excepción de los dos últimos, que se encuentran en dos placas auxiliares Módulo de control de temperatura.- Con el objetivo de simular el encendido y apagado del horno las especificaciones indican que se utilice una resistencia de potencia por la que se haga circular o no una corriente elevada

9 Con el fin de conseguir una corriente elevada se empleará un montaje Darlington de dos transistores y para la medición de la temperatura un sensor con precisión de grados Celsius como indica la figura 2. El sensor de temperatura entrega una tensión proporcional a la temperatura según la expresión V 1 = 10 mv/ºc. Figura 2. Modulo de control de temperatura son: Las conexiones entre esta tarjeta y los conectores de expansión de la tarjeta SEC-552 Cable número Señal Conectado a 1 V LM35 Pin 1 del conector CON9 2 V CONTROL ON/OFF Pin 1 del conector CON8 3 GND Pin 9 del conector CON9 Estudiar detenidamente el circuito descrito en la figura 2 y con la ayuda de las hojas de catalogo del anexo, rellenar el apartado 1 del estudio previo Módulo de actuación acústica.- El módulo de actuación acústica consta de un zumbador piezoeléctrico y la electrónica necesaria para activar dicho zumbador. En la figura 3 se muestra el esquema de dicho circuito

10 Figura 3. Módulo de actuación acústica Las conexiones entre el hardware se realizan mediante los 3 hilos de la tarjeta que incorpora el zumbador y los conectores de expansión de la tarjeta SEC : Cable de color Señal Conectado a Rojo Vcc Pin 10 del conector CON6 Negro GND Pin 9 del conector CON6 Amarillo /PWM0 Pin 1 del conector CON6 Estudiar el circuito descrito en la figura 3 y rellenar el apartado 2 del estudio previo Funcionamiento global del sistema.- Una vez realizados, montados y comprobados los diferentes módulos que componen nuestro horno programable vamos a verificar el funcionamiento del sistema en conjunto. Para ello y aprovechando los programas ya realizados en otras prácticas que nos sirvan, se realizará el programa principal y las subrutinas de atención a las interrupciones necesarias atendiendo a las siguientes especificaciones de funcionamiento: 1 Junto con los elementos mencionados, la tarjeta del módulo acústico incorpora un diodo LED que se encenderá cuando éste esté alimentado, además de un potenciómetro y un cable de color gris que no se utilizarán en este diseño

11 Cuando el sistema se inicialice el horno permanecerá apagado, lo que se indicará en el LCD, así como la temperatura actual del horno: HORNO APAGADO TEMP: 25 Pulsando la tecla F se comenzará la programación del horno de la siguiente forma: En el LCD aparecerá: TEMP PROG: xx MIN. DUR.: yy Los dos primeros dígitos que se introduzcan fijarán la temperatura a la que deseemos que funcione el horno (xx). Los dos dígitos siguientes indicarán la duración de funcionamiento del horno en minutos (yy). A medida que se vayan introduciendo los dígitos éstos deberán ir apareciendo en el LCD. Una vez realizada la programación anterior del horno, la pantalla volverá a su apariencia principal pero indicando que el horno está programado: HORNO PROGRAMADO TEMP: 25 El horno se podrá volver a programar según el procedimiento descrito siempre que no esté funcionando. Una vez se haya programado, el horno comenzará su funcionamiento pulsando la tecla D. Mientras el horno esté funcionando en el LCD aparecerá el mensaje siguiente, donde TA es la temperatura actual y T.PROG es la temperatura programada: QUEDAN: 15M TA:30 T.PROG:

12 Si el horno está funcionando se podrá parar pulsando la tecla B, apareciendo la información de HORNO APAGADO inicial, pudiendo reprogramarse de nuevo posteriormente. Cuando el horno termine su funcionamiento deberá avisar haciendo sonar durante 4 segundos una alarma que se obtendrá de aplicar una señal TTL al cable amarillo de la placa del circuito de actuación acústica, con un ciclo de trabajo aproximado del 50 % y una frecuencia que será función del puesto de laboratorio que se ocupe, según la siguiente relación: frec 500 Hz * (nº puesto de laboratorio ) Realización del software.- Teniendo en cuenta que para la parte de introducción de datos y representación puede utilizar funciones ya usadas en prácticas anteriores, complete los diferentes apartados de las hojas de resultados. Compruebe el correcto funcionamiento de su desarrollo y llame al profesor para que lo verifique

13 LABORATORIO DE SISTEMAS DIGITALES II Alumno: ESTUDIO PREVIO Diseño: Programación de un Horno Grupo: Puesto: Fecha: Apartado 1.- Módulo de control de temperatura. Justificar el funcionamiento del módulo de control de temperatura. Qué potencia va a disipar la resistencia R1? Qué tipo de tensión entrega el sensor LM35? Qué valor dará para una temperatura de 40 ºC? Y para 85 ºC? Apartado 2. Módulo de actuación acústica. Describa el funcionamiento general del circuito de la figura 3 e indique la función de cada uno de los componentes que forman el mismo. Apartado 3. Descripción de recursos. Describa los diferentes recursos del microcontrolador 80C552 que va a emplear en este desarrollo, indicando la utilización de cada uno de ellos

14 LABORATORIO DE SISTEMAS DIGITALES II Alumno: HOJAS DE RESULTADOS Diseño: Programación de un Horno Grupo: Puesto: Fecha: Apartado 1. Descripción de funciones. Indique, justificando su utilidad, la totalidad de funciones y sus parámetros que ha desarrollado para la realización del software requerido en este diseño, distinguiendo entre las ya utilizadas en prácticas anteriores (que no deberá justificar) y las funciones propias de esta aplicación. Apartado 2. - Software Adjunte la programación completa de su desarrollo