UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ

Facultad de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización

Ingeniería en Mecatrónica Área Automatización

CUBO DE LEDS

AVANCE DE TESIS III

Alumnos:

Irving Abel García Bernal

Roberto Castillejos Alarcón

Francisco Javier Aquino Castellanos

Soledad González Torres

Ángel Ariel Ramírez Velasco

Asesor: Alfonso García Sosa

Co-Asesor: Dr. Jorge Morales Cruz

1

Resumen

En esta tesis se presentará el diseño y desarrollo de un cubo de leds, el cual

estará programado con distintas matrices realizará rutinas de encendido.

Este cubo de leds será interpretado como una matriz con el fin de programarla y

controlarla por medio de microcontroladores. Con el fin de que el proyecto sea

tomado como una de las tantas aplicaciones de los microcontroladores, utilizados

para la elaboración de sistemas de automatización.

El cubo de leds constará de tres partes, el armado de la estructura de leds, el

circuito de control y la programación de los microcontroladores. El esqueleto del

cubo el cual está elaborado con leds será la parte en la cual se visualizará la

secuencia de encendido y apagado de estos, de acuerdo a la programación

realizada en el microcontrolador. La parte de control está conformada por 9

microcontroladores (1 maestro, 8 esclavos), transistores, resistencias y cable

plano. Por último, la programación será la encargada de dar las instrucciones

descritas en el software de programación y de esta manera realizar la rutina de

encendido y apagado deseada.

En la actualidad las matrices de leds son usadas para probar y demostrar cada

una de las múltiples aplicaciones de los microcontroladores, por ejemplo, en Física

de partículas, son usados para probar e instrumentar sistemas de adquisición de

datos, sistemas de control, enlaces ópticos, etc. El uso de estos circuitos

integrados a causado que la tecnología haya avanzado más, ha contribuido a

mejoras en las empresas realizando mayor producción y además otorgando una

mejor exactitud en las operaciones que son realizadas por máquinas. También

estas realizan tareas peligrosas para prevenir heridas y/o muertes en el trabajo.

Permite al diseñador de sistemas de automatización una extensa variedad de

soluciones a los requerimientos solicitados por la empresa.

No existen muchos cubos de este tipo en el mercado, sin embargo hay

información detallada de su funcionamiento interno, esto se debe a su valor y el

2

gran conocimiento que se puede obtener de ellos al aplicar la programación en los

microcontroladores, por estas razones en este trabajo describiremos el diseño y

desarrollo de cubo de leds.

3

Índice

1. INTRODUCCIÓN......................................................................................................................4

2. OBJETIVOS..................................................................................................................................5

2.1. OBJETIVO GENERAL................................................................................................................5

2.2. OBJETIVOS PARTICULARES......................................................................................................5

3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES PARA CADA EVALUACIÓN.....................................................6

4. MARCO TEÓRICO.......................................................................................................................8

4.1 LEY DE COULOMB...................................................................................................................8

4.2 MICROCONTROLADORES.........................................................................................................9

4.3 LEY DE OHM...........................................................................................................................12

4.4 COMPILADOR MIKROC...........................................................................................................14

4.5 CONTROL...............................................................................................................................14

4.6 AUTOMATIZACIÓN.................................................................................................................15

5 DESARROLLO.............................................................................................................................16

5.1 ARMADO DEL CIRCUITO DE CONTROL....................................................................................16

5.2 ARMADO DEL CUBO DE LED´S................................................................................................18

6 RESULTADOS.................................................................................................................................20

6.1 LÓGICA DE PROGRAMACIÓN DEL CUBO DE LEDS.......................................................................20

6.2 SIMULACIÓN DEL CUBO.............................................................................................................20

6.3 CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DEL EFECTO 1..............................................................................21

7 CONCLUSIONES.........................................................................................................................22

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1. INTRODUCCIÓN

La utilización de microcontroladores para desarrollar e implementar sistemas de automatización es una alternativa atractiva, debido a, su gran difusión, aplicación, bajo costo, tener resuelto el proceso de creación y fabricación de distintos productos o servicios y la existencia de infinidad de herramientas de desarrollo y prueba.

Los microcontroladores, siendo un circuito integrado de gran aplicación, pueden ser ajustados a las necesidades requeridas, agregando arreglos en distintos circuitos electrónicos, acompañadas de software que permitan controlarlos. Un posible ejemplo, es la amplia variedad de sistemas y procesos que operan con una mínima o ninguna intervención del ser humano, es decir, que son operadas por máquinas para realizar funciones repetitivas y son programadas mediante computadoras.

La programación de μCs se basa en un código de máquina que es conocido como código ensamblador, este código contiene las instrucciones del programa, es minucioso, y tedioso de editar.

Hace algunos años realizar la programación de los microcontroladores se tornaba realmente complicado ya que el lenguaje de programación utilizado (ensamblador) crea códigos de programa extensos y de difícil comprensión.

La creación de compiladores de alto nivel facilitó la edición y creación de programas en todo modo de programación lógica, por supuesto los μC no fueron la excepción, comercialmente existen varios compiladores de diferentes fabricantes y diferentes lenguajes de alto nivel.

Si a esto agregamos que es posible adquirir compiladores como el PICC, CCS, PIC Basic, entre otros. El compilador MikroC PRO es un compilador en lenguaje C para microcontroladores PICMicro de la familia 12F, 16F, y 18F. MikroC PRO es un paquete de software con una amplia variedad de ayudas y herramientas que facilita la creación de proyectos y aplicaciones para los μCs PICMicro.

Considerando la importancia y los beneficios que proporciona un cubo de leds, se utilizara como una de las tantas aplicaciones de los microcontroladores, con la finalidad de mostrar la versatilidad, potencial para impulsar la investigación y generación tecnológica actual en México.

Algunas de las áreas en las cuales se puede aplicar este tipo de cubos de leds son: practicas académicas, demostraciones, etc. Por ejemplo, si tomamos el área industrial, podemos desarrollar sistemas y procesos que operan con una mínima o ninguna intervención del ser humano, es decir, que son operadas por máquinas para realizar funciones repetitivas y estas son programadas mediante computadoras.

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2. OBJETIVOS

A continuación se presenta el objetivo general y los objetivos particulares, los cuales necesariamente se tienen que alcanzar para poder concluir el proyecto.

2.1. OBJETIVO GENERAL.

Diseñar y elaborar una estructura de leds que permita comprender una de las múltiples aplicaciones de los microcontroladores dentro de un sistema de automatización, así como mostrar uno de los tantos proyectos que se pueden realizar dentro de la carrera de Mecatrónica área automatizada de la Universidad Tecnológica del Sureste de Veracruz.

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2.2. OBJETIVOS PARTICULARES.

1. Estudio acerca de los microcontroladores y software de programación.

2. Estudio del lenguaje de programación para la realización del programa.

3. Desarrollo de la estructura del cubo que permita la visualización de la rutina.

4. Desarrollo del diseño del circuito físico.

5. Desarrollar la programación del software que se grabara en el microcontrolador.

6. Integración y evaluación del prototipo.

7. Publicación de los resultados.

8. Escritura de la tesis.

7

3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES PARA CADA EVALUACIÓN.

ACTIVIDAD TESIS I

TESIS II

TESIS III

Revisar información acerca de los microcontroladores y software de programación.

X

Estudiar el lenguaje de programación para realizar el software que será grabado al microcontrolador.

X

Desarrollar la estructura del cubo de leds que permita la visualización de la rutina.

X

Desarrollar el diseño del circuito físico. XDesarrollar la programación del software que se grabara en el microcontrolador.

X

Pruebas experimentales. XPublicación de resultados. XEscritura de tesis. X

Tabla 3.1. Cronograma de actividades generales.

Los avances propuestos para tesis 2 son los siguientes:

Objetivos específicos Porcentaje logrado

Porcentaje propuesto

Estudio acerca de los microcontroladores y software de programación.

100 100

Estudio del lenguaje de programación para realizar el software que será grabado al microcontrolador.

100 100

Desarrollo de la estructura del cubo de leds que permita la visualización de la rutina.

100 100

Desarrollo del diseño del circuito físico. 50 100Desarrollar la programación del software que se grabara en el microcontrolador.

90 100

Integración y evaluación del instrumento. 0 0Publicación de los resultados. 0 0

8

Escritura de la tesis. 70 75

4. MARCO TEÓRICO

Para poder llevar a cabo la realización del cubo de leds, es fundamental conocer

algunos conceptos básicos que influyen y que necesariamente se tiene que

considerar para lograr exitosamente la realización del proyecto. A continuación se

hace la descripción de estos conceptos.

4.1 LEY DE COULOMB.

El físico francés Charles Coulomb investigó en la década de 1780 la relación

cuantitativa de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados. Su ley la demostró

usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la

fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre

ellas.

Esta ley estableció nuevos principios eléctricos hallados por él. Su ley la formulo

tras efectuar algunos experimentos que se resumen a continuación.

Para esta ley usó pequeñas esferas con distintas cargas de las que no conocía la

carga exactamente, sino la relación de las cargas. Para su ley pensó

acertadamente que si una esfera conductora cargada se pone en contacto con

una idéntica sin carga, compartirían la carga por igual, por la simetría. Para su ley

con esto tenía la manera para producir cargas iguales a ½, ¼, etc., respecto a la

carga original. Manteniendo constante la separación entre las cargas, observó que

si la carga en una esfera se duplicaba, la fuerza se duplicaba; y si la carga en

ambas esferas se duplicaba, la fuerza aumentaba a cuatro veces su valor original.

Si variaba la distancia entre las cargas, encontró que la fuerza disminuía con el

cuadrado referido a la distancia entre ellas, esto es, si se duplicaba la distancia, la

fuerza bajaba a la cuarta parte en su valor original.

9

Esta ley postula que la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias

es:

Inversamente proporcional al cuadrado aplicado a la separación r entre las

partículas y está dirigida a lo largo en la línea que las une.

Proporcional al producto en las cargas q1 y q2.

Atractiva si las cargas tienen signo opuesto y repulsivo si las cargas tienen

igual signo.

Esta ley también se expresa en forma de ecuación como:

10

4.2 MICROCONTROLADORES

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 teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la

invasión acaba de comenzar y el siglo XXI será testigo de la conquista masiva de

estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos

que fabriquemos y usamos los humanos.

Un microcontrolador (μC) es un circuito integrado programable, capaz de

ejecutar las órdenes grabadas en su memoria.

Un μC incluye las tres principales unidades funcionales de una PC: CPU,

memorias y periféricos de E/S.

En su memoria sólo reside un programa que controla en funcionamiento de una

tarea determinada, sus líneas de entrada/salida se conectan a los sensores y

actuadores del dispositivo a controlar y, debido a su pequeño tamaño, suele ir

integrado en el propio dispositivo al que gobierna.

11

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:

Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso).

Memoria RAM para contener los datos.

Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EEPROM/Flash.

Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.

Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, puertos

serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores

Digital/Analógico, etc.).

Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo

el sistema.

Características de los microcontroladores

El tamaño de los μCs es pequeño y consumen muy poca corriente, esto los

hace ideales para sistemas portátiles y autónomos.

Los μCs se usan extensivamente en robótica.

Existen μCs de 4, 8, 16, y 32 bits de ancho de palabra.

Por ejemplo, el control de un electrodoméstico sencillo como una batidora

utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bits) porque sustituirá a un

autómata finito.

12

Aplicaciones de los microcontroladores

Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy

potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las

diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un

despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado

número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos.

Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S,

la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento,

etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del

microcontrolador a utilizar.

Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de

aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su

fiabilidad y disminuir el consumo.

Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un

modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de

la masiva utilización de estos componentes.

Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas

presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas,

frigoríficos, televisores, ordenadores, 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.

13

Los microcontroladores se encuentran por todas partes:

Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como centrales y en

teléfonos fijos, móviles, fax, etc.

Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas, batidoras,

televisores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música, mandos a distancia,

consolas, etc.

Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones,

teclados, impresoras, escáner, etc.

Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc.

Industria: Autómatas, control de procesos, etc.

Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores, calefacción, aire

acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc.

Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard), sistemas de

navegación, etc.

La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente:

Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los

ordenadores y sus periféricos.

La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo

(electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.)

El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones.

Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales.

El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente

un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción.

14

4.3 LEY DE OHM

La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simón Ohm,

es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada

a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico

como son:

1. Tensión o voltaje "E", en volt (V).

2. Intensidad de la corriente " I ", en ampere (A).

3. Resistencia "R" en ohm (Ω) de la carga o consumidor conectado al circuito.

Figura 4.3.1 Circuito eléctrico cerrado

Debido a la existencia de materiales que dificultan más que otros el paso de la

corriente eléctrica a través de los mismos, cuando el valor de su resistencia varía,

el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma

inversamente proporcional. Es decir, a medida que la resistencia aumenta la

corriente disminuye y, viceversa, cuando la resistencia al paso de la corriente

disminuye la corriente aumenta, siempre que para ambos casos el valor de la

tensión o voltaje se mantenga constante.

Por otro lado y de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión o voltaje es

directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje

aumenta o disminuye, el amperaje de la corriente que circula por el circuito

15

aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la

resistencia conectada al circuito se mantenga constante.

Formulas de la Ley de Ohm

Se puede establecer una relación entre el voltaje de la batería,

el valor del resistor y la corriente que entrega la batería y que circula a través

del resistor.

Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el triángulo.

Figura 4.3.2. Triangulo de la Ley de Ohm

Se dan 3 Casos:

Con un valor de resistencia fijo: La corriente sigue al voltaje. Un incremento

del voltaje, significa un incremento en la corriente y un incremento en

la corriente significa un incremento en el voltaje.

Con el voltaje fijo: Un incremento en la corriente, causa una disminución en

la resistencia y un incremento en la resistencia causa una disminución en

la corriente.

Con la corriente fija: El voltaje sigue a la resistencia. Un incremento en la

resistencia, causa un incremento en el voltaje y un incremento en

el voltaje causa un incremento en la resistencia.

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4.4 COMPILADOR MIKROC

La programación de μCs se basa en un código de máquina que es conocido como

código ensamblador, este código contiene las instrucciones del programa, es

minucioso, y tedioso de editar. El ensamblador crea códigos de programa

extensos y de difícil comprensión. La creación de compiladores de alto nivel facilitó

la edición y creación de programas en todo modo de programación lógica, por

supuesto los μC no fueron la excepción, comercialmente existen varios

compiladores de diferentes fabricantes y diferentes lenguajes de alto nivel.

Es posible adquirir compiladores como el PICC, CCS, PIC Basic, entre otros.

MikroC PRO es un compilador en lenguaje C para microcontroladores PICMicro de

la familia 12F, 16F, y 18F. MikroC PRO es un paquete de software con una amplia

variedad de ayudas y herramientas que facilita la creación de proyectos y

aplicaciones para los μCs PICMicro.

Figura 4.3.3. Entorno de programación MikroC

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4.5 CONTROL

Es la acción o el efecto de poder decidir sobre el desarrollo de un proceso o

sistema. También se puede entender como la forma de manipular ciertas variables

para conseguir que ellas u otras variables actúen en la forma deseada.

4.6 AUTOMATIZACIÓN

La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción,

realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos

tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales:

Parte de Mando

Parte Operativa

4.6.1 Automatización Optativa

Es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que

hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos

que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como

motores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de

carrera, etc.

4.6.2 Automatización de mando

Suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace

bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos

lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación

automatizado el autómata programable está en el centro del sistema. Este debe

ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.

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4.6.3 Objetivos de la automatización

Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la

producción y mejorando la calidad de la misma.

Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos

penosos e incrementando la seguridad.

Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.

Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades

necesarias en el momento preciso.

Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes

conocimientos para la manipulación del proceso productivo.

Integrar la gestión y producción.

4.7 RESISTENCIA

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La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de

cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la corriente

y voltaje a todos los puntos necesarios.

El valor de la resistencia se expresa en ohmio, al cual representamos con el

símbolo

Si sometemos los extremos de una resistencia al paso de una corriente

continua se producirá en la misma una caída de tensión proporcional a su valor.

La intensidad que la atraviese será también proporcional a la tensión aplicada y al

valor en ohmios de la resistencia.

Hay dos formas de asociar resistencias en un circuito: asociación serie y

asociación paralelo:

La resistencia equivalente de un circuito serie es:

RT = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

lo cual nos indica que una sola resistencia de valor RT se comportará de la misma

forma que las n resistencias R1, R2, R3 ... Rn conectadas en serie.

Si el circuito es en paralelo entonces la resistencia equivalente es:

RT = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... + 1/Rn)

Cuando se trata de dos resistencias en paralelo se tiene:

20

Código de colores

Identificar un resistor no es una tarea muy complicada, se observa que estos

poseen 4 bandas de colores, 3 de idénticas proporciones y una más alejada de

éstas. Estas bandas representan el valor real del resistor incluyendo su porcentaje

de tolerancia o error siguiendo un código de colores estándar.

En primer lugar tratamos de identificar el extremo que corresponde a la banda de

tolerancia del resistor, que en la mayoría de los casos suele ser dorada (5%) o

(algo más raro) plateada (10%). Una vez localizada ésta la dejamos de lado,

(literalmente a la derecha), vamos al otro extremo y leemos la secuencia:

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-Primera banda: corresponde al primer dígito del valor

-Segunda banda: corresponde al segundo dígito del valor

-Tercera banda: representa al exponente, o "números de ceros" a agregar

-Cuarta banda: porcentaje de tolerancia (la que habíamos identificado primero)

Los colores corresponden a valores estandarizados como se detallan:

Color 1º y 2º dígitos multiplicador tolerancia

Negro 0 1 (x100)

Marrón 1 10 (x101)

Rojo 2 100 (x102)

Naranja 3 1000 (x103)

Amarillo 4 10000 (x104)

Verde 5 100000 (x105)

Azul 6 1000000 (x106)

Violeta 7 10000000 (x107)

Gris 8 100000000 (x108)

Blanco 9 1000000000 (x109)

Dorado 0.1 (x10-1) 5%

Plateado 10%

4.8 LED

22

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que

al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios

colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color

rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.

Es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido

cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él

una corriente eléctrica . Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el

LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al

ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.

Este dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta

de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en

las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo

por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.

Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón

por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo.

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que

atraviesa el LED y evitar que este se pueda dañar; para ello, hay que tener en

cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios

aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color

de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía

según su aplicación. Los Valores típicos de corriente directa de polarización de un

LED están comprendidos entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de

color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LED.

Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras

comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con

una vida aproximada de 100,000 horas. Para la protección del LED en caso haya

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picos inesperados que puedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en sentido

opuesto un diodo de silicio común

En general, los LED suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que

circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele

buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto

más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto

menor es la intensidad que circula por ellos).

ESTRUCTURA DEL LED

4.9 MULTIPLEXOR

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El multiplexor es el circuito lógico combinacional equivalente a un interruptor

mecánico giratorio de varias posiciones, tal como el componente que sirve

para seleccionar las bandas de un receptor de radio.

Permite dirigir la información binaria procedente de diversas fuentes a una

única línea de salida, para ser transmitida a través de ella, a un destino

común.

Disponen de: hasta 2n líneas de entrada de datos, una única de salida

y n entradas de selección; que habilitan y ponen en contacto uno de los

terminales de entrada de datos con el de salida.

El circuito combinacional integrado multiplexor, suele tener: 8 entradas de

datos (bits), 3 entradas de selección (address) y una única salida y datos.

Una de las principales aplicaciones de los multiplexores es que permite

implementar ecuaciones correspondientes al funcionamiento de una función

lógica, reemplazando con un solo chip gran cantidad de cableado y de

circuitos integrados.

Para lo que se debe seguir el siguiente protocolo:

Se conectan a las entradas de selección las variables de entrada del

problema.

Se conectan las entradas de dato a 1 o a 0, según convenga a la

configuración escogida con la entrada de selección.

Cuando no disponemos de suficientes entradas de selección en un multiplexor

para conectar con las entradas del problema, podemos continuar

empleándolos, estableciendo en las entradas de dato los valores adecuados

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correspondientes con ayuda de lógica adicional y en función de la variable que

no conectamos a la entrada de selección.

La función tiene cuatro variables de entradas, A, B, C, D, con lo que existen

combinadas, dan lugar a 16 combinaciones posibles. Empleando un

multiplexor de 4 entradas de control, se dispondrán de 16 canales de datos,

por lo tanto uno por cada posible combinación de las variables de entrada de

la función lógica.

Cada término que constituye la función corresponde a las de cada

combinación de las variables de entrada que hacen 1 dicha función, por lo que

si aplicamos las variables de la función a las entradas de selección y

conectamos a 1 los canales de entrada que se corresponden con las

combinaciones que intervienen en la función, poniendo a 0 el resto de los

canales, tendremos la función implementada.

Es posible implementar funciones lógicas de n variables con multiplexores de

n-1 entradas de control, lo que producirá el consiguiente ahorro económico.

Con el ejemplo del apartado anterior, confeccionamos la siguiente tabla,

donde se agrupan por columnas todas las posibles combinaciones de tres de

las variables de entrada B, C y D, dejando en las filas las posibilidades de la

variable que resta A.

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Por tanto, la implementación del circuito se consigue aplicando las variables b,

c y d a las tres entradas de selección del multiplexor y conectando las

entradas de los canales de la siguiente forma:

Canales 0 y 2 conectado a 0.

Canales 1, 4 y 6 conectado a 1.

Canales 3, 5 y 7 a través de un inversor a la variable a, ya que su valor es

siempre el contrario del de dicha variable.

4.10 SOFTWARE DE SIMULACION

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Un simulador de circuitos electrónicos es una herramienta de software utilizada

por profesionales en el campo de la electrónica y los estudiantes de las carreras

de tecnologías de información. Ayuda a crear algún circuito que se desee

ensamblar, ayudando a entender mejor el mecanismo, y ubicar las fallas dentro

del mismo de manera sencilla y eficiente.

El diseño de estos programas de software llevan varios años siendo desarrollados

y mejorado sus características, Uno de los primeros simuladores creados

fue SPICE, desarrollado por Donald Pederson en la Universidad de California en

Berkeley en 1975.

El funcionamiento de este programa se basa en línea de órdenes, las cuales no

son tan fáciles de utilizar al momento de diseñar todo un circuito complejo y el

usuario debe de tener un conocimiento correcto sobre cómo utilizar las

instrucciones correctas. Sin embargo, SPICE es fundamental para otros

programas con mayor interactividad con el usuario, tales como Oregano o GEDA.

Ventajas:

Utilizar un simulador de circuitos le permite al ingeniero electrónico hacer pruebas

sin correr el riesgo de dañar algún circuito, si eso llegase a ocurrir, implicaría

mayor gasto de material semiconductor.

Cuando un circuito trabaje correctamente en el simulador, será más fácil armarlo

en una tabla de prototipo (protoboard), y se puede tener la seguridad de que el

circuito funcionará correctamente.

Con el simulador se puede hallar de manera más fácil los errores y problemas que

surgen a la hora de ensamblar los circuitos eléctricos, con algunas herramientas

28

que los programas ya cuentan como por ejemplo: multímetros, generadores de

voltaje u osciloscopios.

Algunos programas cuentan con diferentes vistas al circuito que se está armando.

Se puede observar como si se estuviese conectando en un protoboard, o como un

diagrama de conexiones. También se puede ver como una placa de circuitos la

cual se puede mandar a fabricar con alguna compañía y así obtendrá un trabajo

final funcionando.

Desventajas:

Algunos simuladores de circuitos no están lo suficientemente actualizados, y no

cuentan con todos los chips del mercado, y eso sería un contratiempo para el

diseñador, ya que deberá darse a la tarea de fabricar su propio semiconductor, y

eso podría tomarse su tiempo.

Cuando no se sabe cómo manejar el programa de simulación, genera retrasos en

los diseños, se debe estudiar de manera completa todos los componentes y

opciones que tiene el programa, para poder realizar el trabajo de manera correcta.

4.10.1 PROTEUS

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Proteus es un software de diseño electrónico desarrollado por Labcenter

Electronics que consta de dos módulos: Ares e Isis y que incluye un tercer módulo

opcional denominado Electra.

ISIS: Mediante este programa podemos diseñar el circuito que deseemos con

componentes muy variados, desde una simple resistencia hasta algún que otro

microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentación,

generadores de señales y muchas otras prestaciones. Los diseños realizados en

Isis pueden ser simulados en tiempo real. Una de estas prestaciones es VSM, una

extensión de la aplicación con la cual podremos simular, en tiempo real, todas las

características de varias familias de microcontroladores, introduciendo nosotros

mismos el programa que queramos que lleven a cabo.

ARES: Ares es la herramienta de rutado de Proteus, se utiliza para la fabricación

de placas de circuito impreso. Esta herramienta puede ser utilizada de manera

manual o dejar que el propio programa trace las pistas, aunque aquí podemos

también utilizar el tercer módulo: Electra (Electra Auto Router), el cual, una vez

colocados los componentes, trazará automáticamente las pistas realizando varias

pasadas para optimizar el resultado.

El software de diseño y simulación Proteus es una herramienta útil para

estudiantes y profesionales que desean acelerar y mejorar sus habilidades para

del desarrollo de aplicaciones analógicas y digitales.

ISIS (una de las dos aplicaciones de Proteus) permite el diseño de circuitos

empleando un entorno gráfico en el cual es posible colocar los símbolos

representativos de los componentes y realizar la simulación de su funcionamiento

sin el riesgo de ocasionar daños a los circuitos.

La simulación puede incluir instrumentos de medición y la inclusión de gráficas

que representan las señales obtenidas en la simulación.

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Lo que más interés ha despertado es la capacidad de simular adecuadamente el

funcionamiento de los microcontroladores más populares (PICS, ATMEL-AVR,

MOTOROLA, 8051, etc.)

También tiene la capacidad de pasar el diseño a un programa integrado llamado

ARES (la otra aplicación de Proteus) en el cual se puede llevar a cabo el

desarrollo de placas de circuitos impresos.

4.11 CAPACITORES

Se le llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. Está formado

por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo

que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.

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Pueden conducir corriente sólo un instante por lo cual podemos decir que los

capacitores, para las señales continuas, son como un cortocircuito, aunque

funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad

lo convierte en dispositivos demasiado útiles cuando se debe impedir que la

corriente continua entre a determinada parte de un circuito, además, en los

tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia

eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

El valor de un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la

distancia entre ellas, la que está determinada por el espesor del dieléctrico, dicho

valor se expresa en términos de capacidad. La unidad de medida de dicha

capacidad es el faradio (F). Los valores de capacidad utilizados en la práctica son

mucho más chicos que la unidad, por lo tanto, dichos valores estarán expresados

en microfaradios (1 mF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1 hF = 1 x 10-9 F) o

picofaradios (1 rF = 1 x 10-12 F).

Cuando se aplica una tensión continua entre las placas de un capacitor, no habrá

circulación de corriente por el mismo, debido a la presencia del dieléctrico, pero se

producirá una acumulación de carga eléctrica en las placas, polarizándose el

capacitor.

Una vez extraída la tensión aplicada, el capacitor permanecerá cargado debido a

la atracción eléctrica entre las caras del mismo, si a continuación se cortocircuitan

dichas caras, se producirá la descarga de las mismas, produciendo una corriente

de descarga entre ambas.

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Si ahora le aplicamos una tensión alterna se someterá al capacitor a una tensión

continua durante medio ciclo y a la misma tensión, pero en sentido inverso,

durante la otra mitad del ciclo. El dieléctrico tendrá que soportar esfuerzos alternos

que varían de sentido muy rápidamente, y por lo tanto, su polarización deberá

cambiar conforme el campo eléctrico cambia su sentido, entonces si aumentamos

la frecuencia el dieléctrico ya no podrá seguir estos cambios, produciéndose

eventualmente una disminución en la capacidad. En síntesis, la capacidad de un

capacitor disminuye conforme aumenta la frecuencia.

5 DESARROLLO.

5.1 ARMADO DEL CIRCUITO DE CONTROL

En la primera fase de elaboración, se colocaron todos los elementos en una

baquelita perforada, todo basado en el circuito de control, este circuito consta de 2

partes, la primera donde se encuentra el microcontrolador y en la segunda están

los circuitos de control de secuencia manipulados por multiplexores.

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Como segundo paso en la construcción del circuito, se soldó cada componente a

la baquelita, principalmente solo la base del microcontrolador y de los

multiplexores para mantener una referencia de cómo se distribuyen los elementos

en el circuito.

Se tomó en cuenta la demanda de corriente que necesitaría el cubo de led´s, si

cada uno de los 512 se mantuviera encendido la energía seria demasiada y no

habría forma de alimentarlo, es por ello que nos dimos a la tarea de aplicar los

multiplexores con la técnica maestro – esclavo, en la cual uno de los

microcontroladores se programa para dar órdenes a los otros, cada uno de ellos

tiene una secuencia programada.

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El tercer paso fue interconectar los elementos, tanto los multiplexores con los

demás CI para realizar la secuencia.

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5.2 ARMADO DEL CUBO DE LED´S

Para la parte del armado del cubo, se realizaron trazos con medidas de 1.9 cm

para la separación de cada led en una base de acrílico.

Una vez teniendo trazada las líneas se perforo con un taladro los orificios en

donde se colocaron los leds.

Ya colocados los leds en la base se soldaron de manera que los cátodos se

unieran, previamente fueron doblados a 90 grados.

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Al finalizar una matriz de leds de 8x8, se utilizaron alambres rectos los cuales

fueron soldados en los extremos y centro de la matriz para darle soporte y rigidez

a la estructura.

El siguiente paso fue montar las matrices una sobre otra, doblando nuevamente la

punta de los pines 3mm, en este caso los ánodos.

De esta forma se llevó a cabo el armado del cubo, uniendo así los siguientes pisos

de matrices.

Al termino del armado del cubo, se colocó sobre una base hecha de madera de

30x30 cm, con perforaciones para el paso libre de los pines de los led´s, esto con

el motivo de evitar un corto circuito, por ello se eligió este material.

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6 RESULTADOS

6.1 LOGICA DE PROGRAMACION DEL CUBO DE LEDS

En la figura 6.1.1 se muestra la lógica de programación empleada para la

realización del efecto número uno. Donde por medio de un multiplexor se manda

la señal a cuatro módulos LACHT los cuales se encargan de enviar la señal a

cada uno de los cátodos de los leds, por otra parte la parte fundamental se basa

en el control de las tierras, ya que cada nivel de leds cuanta con una tierra

independiente y es de esta manera como se logra cerrar el circuito y así mismo se

obtiene el encendido de un led o un vector de la matriz.

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6.2 SIMULACIÓN DEL CUBO

En la figura 6.2.1 se puede apreciar parte de la simulación en el software ISIS PROTEUS.

6.3 CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DEL EFECTO 1

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Figura 6.3.1 muestra parte del código de programación para lograr crear el primer efecto en el cubo de leds.

A continuación se muestra el código de programación completo de la secuencia No. 1:

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int i,j, E1[4] = 15,9,9,15;

int muestra_E1()

for (j = 0; j <= 3; j++)

PORTB = E1[j];

if (j==0)

PORTA.F0 = 1;

if (j==1)

PORTA.F0 = 0;

PORTA.F1 = 1;

if (j==2)

PORTA.F1 = 0;

PORTA.F2 = 1;

if (j==3)

PORTA.F2 = 0;

PORTA.F3 = 1;

Delay_ms(1);

PORTA.F3 = 0;

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return 0;

void main()

TRISB = 0b11110000;

PORTB = 0b00000000;

TRISA = 0b00000000;

PORTA = 0b00000000;

for (i = 0; i<=3; i++)

switch (i)

case 0: PORTA.F5 = 0;

PORTA.F4 = 0;

muestra_E1();

break;

case 1: PORTA.F5 = 0;

PORTA.F4 = 1;

muestra_E1();

break;

case 2: PORTA.F5 = 1;

PORTA.F4 = 0;

muestra_E1();

break;

42

case 3: PORTA.F5 = 1;

PORTA.F4 = 1;

muestra_E1();

break;

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7 CONCLUSIONES

Se concluyó que se alcanzaron los objetivos propuestos, cabe mencionar, que

este es el primer desarrollo de un cubo de leds que incorpora un lenguaje de

programación.

Durante el desarrollo del cubo de leds se realizaron las adecuaciones necesarias

para que esta funcionara correctamente; Todas las precauciones investigadas y

los consejos otorgados por un asesor fueron tomados en cuenta, y eso fue un

factor sumamente importe en el éxito del funcionamiento del prototipo.

Para el desarrollo del código de programación fue necesario adentrarse en

conocimientos sobre matrices y vectores, ya que el funcionamiento de la rutina se

basa en este principio, fue necesario investigar conceptos de control de sistemas

digitales ya que de igual manera se utilizan las tablas de verdad binarias para la

correcto funcionamiento del efecto.

Cabe mencionar que algunos libros de programación de microcontroladores

realizan otro tipo de lógica de nivel bajo, ya que ningún libro habla acerca del

control de vectores o matrices de leds, lo cual hizo aún más compleja la parte de

documentación de funcionamiento de la lógica de programación empleada.

Este proyecto represento una gran oportunidad de adquirir un aprendizaje

significativo y poder incrementar las habilidades de programación, ya que esto es

nuevo, ya que abarca la mayor parte de las herramientas de la actualidad y del

futuro de la electrónica del porvenir.

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