Universidad Tecnológica de la Mixteca Huajuapan de León, Oax.

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3 Universidad Tecnológica de la Mixteca Huajuapan de León, Oax. 3

4 Directorio Dr. Modesto Seara Vázquez Rector M.C. Gerardo García Hernández Vice-Rector Académico C.P. José Javier Ruiz Santiago Vice-Rector Administrativo Lic. María de los Ángeles Peralta Arias Vice-Rectora de Relaciones y Recursos 4

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6 Primera Edición; mayo 2012 ISBN: D.R U.T.M. Carr. a Acatlima Km. 2.5 Huajuapan de León, Oaxaca. C.P Tel Diseño: Alfonso Acosta Romero Dir. Editorial:Reina Ortiz Escamilla Impreso y hecho en México Printed and made in México 6

7 Índice Prólogo Introducción a los Microcontroladores Sistemas Electrónicos Controladores y Microcontroladores Microprocesadores y Microcontroladores FPGAs y Microcontroladores Organización de los Microcontroladores La Unidad Central de Procesamiento (CPU) Organización de una CPU Tareas de la CPU Sistema de Memoria Oscilador Temporizador/Contador Perro Guardián (WDT, watchdog timer) Puerto Serie Entradas/Salidas Digitales Entradas/Salidas Analógicas Clasificación de los Microcontroladores Criterios para la Selección de los Elementos de Procesamiento Ejercicios Organización de los Microntroladores AVR de ATMEL Características Generales El Núcleo AVR Ejecución de Instrucciones Archivo de Registros Memoria de Programa Memoria de Datos Espacio de SRAM Registros I/O SRAM de Propósito General Espacio de EEPROM Puertos de Entrada/Salida Sistema de Interrupciones Manejo de Interrupciones Inicialización del Sistema (reset) Reloj del Sistema Resonador Cerámico o Cristal Externo Cristal de Baja Frecuencia Externo Oscilador RC Externo Oscilador RC Calibrado Interno 68 7

8 2.8.5 Reloj Externo Modos de Bajo Consumo de Energía Ejercicios Programación de los Microcontroladores Repertorio de Instrucciones Instrucciones Aritméticas y Lógicas Instrucciones para el Control de Flujo Instrucciones de Transferencia de Datos Instrucciones para el Manejo de Bits Instrucciones Especiales Modos de Direccionamiento Direccionamiento Directo por Registro Direccionamiento Directo a Registros I/O Direccionamiento Directo a Memoria de Datos Direccionamiento Indirecto a Memoria de Datos Direccionamiento Indirecto a Memoria de Código Direccionamiento Inmediato Direccionamientos en Bifurcaciones Bifurcaciones con Direccionamiento Relativo Bifurcaciones con Direccionamiento Indirecto Bifurcaciones con Direccionamiento Absoluto Programación en Lenguaje Ensamblador Directiva INCLUDE Directivas CSEG, DSEG y ESEG Directiva DB y DW Directiva EQU Directiva ORG Directivas HIGH y LOW Directiva BYTE Programación en Lenguaje C Tipos de Datos Operadores Lógicos y para el Manejo de Bits Tipos de Memoria Datos en SRAM Datos en FLASH Datos en EEPROM Programas de Ejemplo Parpadeo de un LED Decodificador de Binario a 7 Segmentos Diseño de una ALU de 4 Bits Relación entre Lenguaje C y Ensamblador Ejercicios 116 8

9 4. Interrupciones Externas, Temporizadores y PWM Interrupciones Externas Configuración de las Interrupciones Externas Habilitación y Estado de las Interrupciones Externas Ejemplos de Uso de Interrupciones Externas Temporizadores Eventos de los Temporizadores Desbordamientos Coincidencias por Comparación Captura de Entrada Respuesta a los Eventos Sondeo (Polling) Uso de Interrupciones Respuesta Automática Pre-escalador Temporización Externa Registros Compartidos por los Temporizadores Organización y Registros del Temporizador Generación de Formas de Onda con el Temporizador Respuesta Automática en la Terminal OC Selección del Reloj para el Temporizador Organización y Registros del Temporizador Generación de Formas de Onda con el Temporizador Respuesta Automática en las Terminales OC1A y OC1B Selección del Reloj para el Temporizador Acceso a los Registros de 16 Bits del Temporizador Organización y Registros del Temporizador Generación de Formas de Onda con el Temporizador Respuesta Automática en la Terminal OC Selección del Reloj para el Temporizador Ejemplos de Uso de los Temporizadores Modulación por Ancho de Pulso (PWM) Generación de PWM con los Microcontroladores AVR PWM Rápido PWM con Fase Correcta PWM con Fase y Frecuencia Correcta El Temporizador 0 y la Generación de PWM El Temporizador 1 y la Generación de PWM El Temporizador 2 y la Generación de PWM Ejemplos de Uso de las Señales PWM Ejercicios Recursos para el Manejo de Información Analógica Convertidor Analógico a Digital Proceso de Conversión Analógico a Digital 167 9

10 5.1.2 Hardware para la Conversión Digital a Analógico Hardware para la Conversión Analógico a Digital ADC de Aproximaciones Sucesivas El ADC de un AVR Registros para el Manejo del ADC Ejemplos de Uso del Convertidor Analógico a Digital Comparador Analógico Organización del Comparador Analógico Registros para el Manejo del AC Ejemplos de uso del Comparador Analógico Ejercicios Interfaces para una Comunicación Serial Comunicación Serial a través de la USART Organización de la USART Generación de Reloj y Modos de Operación Transmisión de Datos Recepción de Datos Transmisión y Recepción de Datos de 9 Bits Comunicación entre Múltiples Microcontroladores Registros para el Manejo de la USART Ejemplos de Uso de la USART Comunicación Serial por SPI Organización de la Interfaz SPI en los AVR Modos de Transferencias SPI Funcionalidad de la Terminal SS Registros para el Manejo de la Interfaz SPI Ejemplos de Uso de la Interfaz SPI Comunicación Serial por TWI Transferencias de Datos vía TWI Formato de los Paquetes de Dirección Formato de los Paquetes de Datos Transmisión Completa: Dirección y Datos Sistemas Multi-Maestros Organización de la Interfaz TWI Terminales SCL y SDA Generador de Bit Rate Unidad de Interfaz con el Bus Unidad de Comparación de Dirección Unidad de Control Registros para el Manejo de la Interfaz TWI Modos de Transmisión y Códigos de Estado Modo Maestro Transmisor Modo Maestro Receptor Modo Esclavo Receptor

11 Modo Esclavo Transmisor Estados Misceláneos Ejemplos de Uso de la Interfaz TWI Ejercicios Recursos Especiales Watchdog Timer de un AVR Registro para el Manejo del WDT Sección de Arranque en la Memoria de Programa Organización de la Memoria Flash Acceso a la Sección de Arranque Cargador para Autoprogramación Restricciones de Acceso en la Memoria Flash Capacidades para Leer-Mientras-Escribe Escritura y Borrado en la Memoria Flash Direccionamiento de la Flash para Autoprogramación Programación de la Flash Bits de Configuración y Seguridad Interfaz JTAG Organización General de la Interfaz JTAG La Interfaz JTAG y los Mecanismos para la Depuración en un AVR Ejercicios Interfaz y Manejo de Dispositivos Externos Interruptores y Botones Teclado Matricial Decodificadores Integrados para Teclados Matriciales Interfaz con LEDs y Displays de 7 Segmentos Manejo de un Display de Cristal Líquido Espacios de Memoria en el Controlador de un LCD Conexión de un LCD con un Microcontrolador Transferencias de Datos Comandos para el Acceso de un LCD Limpieza del Display Regreso del Cursor al Inicio Ajuste de Entrada de Datos Encendido/Apagado del Display Desplazamiento del Cursor y del Display Configura la Función del Display Configura Dirección en CGRAM Configura Dirección en DDRAM Lee la Bandera de Ocupado y la Dirección Escribe Dato en CGRAM o en DDRAM Lee Dato de CGRAM o de DDRAM Inicialización del LCD Manejo de Motores

12 8.5.1 Motores de CD Motores Paso a Paso Polarización y Operación de un Motor Bipolar Polarización y Operación de un Motor Unipolar Servomotores Interfaz con Sensores Interfaz con una Computadora Personal Puerto Serie Puerto Paralelo Puerto USB Adaptador de USB a RS Circuitos Integrados Controladores Módulos de Evaluación y Prototipado Uso de un AVR con Controlador USB Integrado Ejercicios Desarrollo de Sistemas Metodología de Desarrollo Ejemplos de Diseño Reloj de Tiempo Real con Alarma Planteamiento del Problema Requerimientos de Hardware y Software Diseño del Hardware Diseño del Software Implementación del Hardware Implementación del Software Integración y Evaluación Ajustes y Correcciones Chapa Electrónica Planteamiento del Problema Requerimientos de Hardware y Software Diseño del Hardware Diseño del Software Implementación del Hardware Implementación del Software Integración y Evaluación Ajustes y Correcciones Sistemas Propuestos 356 APENDICE A 361 APENDICE B 363 APENDICE C 367 APENDICE D 375 INDICE TEMATICO

13 Prólogo Comencé a trabajar con microcontroladores en el año de 1994, precisamente en uno de mis últimos cursos de licenciatura. Un microcontrolador también suele ser referido como MCU (Micro Controller Unit), por lo que a lo largo del texto, indistintamente es tratado de una u otra manera. El primer MCU que utilicé fue un 8031, un microcontrolador de 8 bits perteneciente a la familia MCS-51 de Intel. El 8031 requiere de todo un sistema de acondicionamiento para ser puesto en marcha. Posteriormente, otros microcontroladores llegaron a mis manos, adquirí experiencia trabajando con el DS5000T, una versión mejorada del 8031, con memoria de programa tipo NVRAM (RAM no volátil) y un reloj de tiempo real, pero manufacturado por Dallas Semiconductor. Luego, conocí a la familia de microcontroladores PIC de Microchip, tuve una ligera experiencia con el HC11 de Motorola y, en los últimos años, he trabajado con los microcontroladores AVR, de ATMEL. Desde mi incorporación a la Universidad Tecnológica de la Mixteca, en 1998, año con año he impartido el curso de microcontroladores, utilizando uno u otro dispositivo, según la disponibilidad o requerimientos de las aplicaciones. Con la experiencia adquirida he observado que los microcontroladores AVR tienen más recursos en relación con sus equivalentes en costo de otras compañías, además de un rendimiento más alto. Por ello, desde el año 2006 he enfocado mis cursos al manejo de los microcontroladores AVR, específicamente trabajando con el ATMega8 y el ATMega16. El primer paso para trabajar con estos dispositivos fue la búsqueda del libro de texto adecuado. Necesitaba un libro que detallara al hardware y lo vinculara con el software, que sentara las bases para el desarrollo de sistemas y permitiera a los estudiantes empezar desde cero en los microcontroladores, hasta adquirir ideas aplicables al desarrollo de sistemas complejos. Y que además, incluyera aspectos relacionados con su programación, tanto en Ensamblador, como en Lenguaje C. Al no encontrarlo, me di a la tarea de escribirlo. En este libro pretendo reflejar la experiencia que he adquirido con estos dispositivos. Es un libro de texto básico, inicialmente para mis cursos y más adelante, quizás, también sea empleado en otras universidades o por profesionistas independientes interesados en este apasionante mundo de los microcontroladores. Dado que el tema central son los microcontroladores, supongo que los lectores tienen fundamentos de electrónica digital, esto involucra un conocimiento de sistemas numéricos, compuertas lógicas, registros, memorias, máquinas de estados, etc., incluso algunos aspectos básicos de programación en ensamblador y en Lenguaje C, u otro lenguaje de alto nivel. 13

14 Por lo tanto, me enfoco en las características de los microcontroladores y, sólo si es necesario, profundizo en algún concepto en torno a ellos, pero sin desviarme del tema de interés. A lo largo del texto, realizo una descripción del hardware y el software de los microcontroladores ATMega8 y ATMega16, mostrando cómo los diferentes recursos de hardware pueden ser manejados en Ensamblador o en Lenguaje C. Éste es un aspecto interesante, dado que pretendo mostrar las ventajas o inconvenientes de desarrollar aplicaciones en diferentes niveles de programación. Para todos los recursos internos, he documentado ejemplos completos, los cuales fueron previamente implementados como prácticas en la Universidad Tecnológica de la Mixteca. Dispongo de un capítulo dedicado al manejo de dispositivos externos y concluyo con la propuesta de una metodología que se puede emplear para construir sistemas con más requerimientos, la cual ilustro con el desarrollo de dos sistemas relativamente complejos. Agradezco a la Universidad Tecnológica de la Mixteca las facilidades para llevar a cabo la redacción de este libro, deseo sea de utilidad para las futuras generaciones de ésta y otras instituciones. También agradezco a todos los alumnos y profesores que, de una u otra manera, colaboraron en la realización y revisión de este texto. Felipe. Santiago Espinosa fsantiag@mixteco.utm.mx 14