Universidad Nacional del Callao FIEE-ESCUELA DE INGIENERIAMicrocontroladores PicELECTRICA

INTRODUCCION Los microcontroladores son dispositivos muy verstiles, y que en la actualidad se encuentran en la mayora de aparatos electrnicos. El proceso para su uso consiste en escribir una aplicacin usando un lenguaje de alto o bajo nivel, para luego obtener el programa en lenguaje de mquina y por ltimo descargarlo hacia el microcontrolador desde donde se ejecutar.

CONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR.Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y, cuando traspasa los lmites prefijados, genera las seales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro del rango estipulado.Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a travs del tiempo, su implementacin fsica ha variado frecuentemente. Hace tres dcadas, los controladores se construan exclusivamente con componentes de lgica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazn (chip) de un circuito integrado.Un Microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integracin que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

DIFERENCIA ENTRE MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR.

El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), tambin llamada procesador, de un computador. La UCP est formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta. Los pines de un microprocesador sacan al exterior las lneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle Con la Memoria y los Mdulos de E/S y configurar un computador Implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuracin es variable de acuerdo con la aplicacin a la que se destine. (Figura 1).

Figura 1:Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador.

La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicacin. Si slo se dispusiese de un Modelo de microcontrolador, ste debera tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciacin supondra en muchos casos un despilfarro. En la prctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado nmero de modelos diferentes, desde los ms sencillos hasta los ms poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el nmero de lneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseo es la seleccin del microcontrolador a utilizar

odas las partes del computador estn contenidas en su interior y slo salenNormalmente el fabricante provee las herramientas para la utilizacin de sus microcontroladores, tales como son: programas compiladores, hojas de datos, programadores, etc.

El programador est conformado por una placa de circuito impreso con sus componentes, un programa desarrollado para la tarjeta programadora (firmware) y un programa desarrollado para que sea ejecutado en un computador personal.

El enlace entre la tarjeta de circuito impreso y el computador se realiza mediante comunicacin por el puerto USB. Cabe indicar que la energa necesaria para realizar las tareas de programacin en la tarjeta programadora se toma del puerto USB del computador personal, por lo que no es necesaria una fuente externa adicional.

En el computador personal la aplicacin que ha sido desarrollada, permite al usuario de una forma amigable acceder a todas las tareas relacionadas con el proceso de programacin.

La visin con la que ha sido concebido el presente trabajo, difiere significativamente de los programadores comerciales pues permite tener un mayor control sobre las tareas que ste realiza.

El programador construido, da al usuario la liberad de incorporar o eliminar de una forma sencilla elementos de la biblioteca de microcontroladores soportados, y no nicamente se limita a la incorporacin de microcontroladores, sino, que tambin pueden incluirse memorias u otro tipo de dispositivos que sean programables en forma serial. Con esta idea el programador va creciendo y se va actualizando conforme a las necesidades del usuario.

FIGURA 1: HARDWARE EPNprog

Hardware:

Un esquema general del hardware construido se muestra en la figura 2 , y tiene las siguientes partes principales:

Microcontrolador USB PIC 16C745 que se encarga de las comunicaciones con el computador personal usando el puerto de comunicaciones USB, y de los algoritmos de programacin a los dispositivos, adems de activar y desactivar el circuito de potencia cuando sea as requerido.

Circuito de Potencia, pues muchos de los dispositivos a ser programados necesitan niveles de voltaje que pueden ser mayores a los disponibles en el puerto USB (5voltios), por lo que para conseguir tal fin se ha diseado un sistema elevador de voltaje para obtener los niveles requeridos. La energa para el funcionamiento de este bloque proviene del puerto USB del computador personal. En los dispositivos PIC y ATMEL, se eleva hasta 13 voltios

FIGURA 2: DIAGRAMA DEL HARDWARE CONSTRUIDO

Circuito de Control que controla el flujo de las seales de programacin a los respectivos pines del microcontrolador que se est programando.Por ltimo, se tienen indicadores (LED), que informan en todo momento el estado en que se encuentra la programacin.

Software:

La aplicacin que se ejecuta en el computador personal ha sido desarrollada pensando en el usuario, tratando siempre de que la manipulacin del mismo se efecte de la forma ms amigable posible. Por lo que la ventana principal posee botones, lista de dispositivos, barras indicadoras del proceso de programacin, y as todo lo inherente para la correcta manipulacin.

La pantalla principal de la aplicacin en el computador personal se muestra en la figura 3.Entre las funciones principales que posee el software son:

-Permitir al usuario de una forma amigable programar un microcontrolador.

-Establecer y mantener la comunicacin USB con el Hardware

-Mostrar en todo instante el estado del proceso de programacin.

-Dar la oportunidad al usuario de introducir nuevos dispositivos en la lista de elementos que pueden ser programados por este programador.

Esta ltima caracterstica que posee el software, se deriva de un anlisis minucioso de los diferentes algoritmos encontrados en las hojas de datos proporcionadas por los fabricantes de los dispositivos soportados.

Las operaciones secuenciales que se deben ejecutar para programar estos dispositivos muestran una gran similitud entre todos ellos, y que consisten bsicamente en datos binarios sincronizados con pulsos de reloj, y otras operaciones como retardos o condicionales que permiten desarrollarlos como una forma simple de secuencias lgicas. A continuacin mencionamos los Entes de Normalizacin, Instituciones Comerciales y trminos de referencia para este Informe:International Electrotechnical Commission (IEC) InternacionalAtmel Corporation (Atmel) EE.UUMicrochip Technology Inc.(Microchip) EE.UUControladores Lgicos Programables (PLC)Microcontroladores PIC (de la empresa Microchip)Microcontroladores AVR (de la empresa Atmega)ARQUITECTURA DE MICROCONTROLADORES

El estado de la tcnica, de los microcontroladores est orientado netamente a la automatizacin de procesos, sin embargo, es de menester importancia, tomar con relevancia hacia dos tipos antagnicos de microcontroladores, estos son : los microcontroladores AVR versus los microcontroladores PIC.MICROCONTROLADOR PIC

Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la divisin de microelectrnica de General Instrument. El nombre actual no es un acrnimo. En realidad, el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller(controlador de interfaz perifrico)

Caractersticas :Los PICs actuales vienen con una amplia gama de mejoras hardware incorporadas:Los viejos PICs con memoria PROM o EPROM se estn renovando gradualmente por chips con memoria Flash.Ncleos de CPU de 8/16 bits con Arquitectura Harvard modificada Memoria Flash y ROM disponible desde 256 bytes a 256 kilobytes Puertos de E/S (tpicamente 0 a 5,5 voltios) Temporizadores de 8/16 bitsTecnologa Nanowatt para modos de control de energa Perifricos serie sncronos y asncronos: USART, AUSART, EUSARTConversores analgico/digital de 8-10-12 bits Comparadores de tensin Mdulos de captura y comparacin PWMControladores LCDPerifrico MSSP para comunicaciones IC, SPI, y ISMemoria EEPROM interna con duracin de hasta un milln de ciclos de Lectura/escritura Perifricos de control de motoresSoporte de interfaz USBSoporte de controlador EthernetSoporte de controlador CAN Soporte de controlador LINSoporte de controlador IrdaLos ms usados:PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines, oscilador Interno, popular en pequeos diseos como el iPod remote). PIC12F629/675 PIC16F84 (Considerado obsoleto, pero imposible de descartar y muy popular) PIC16F84A (Buena actualizacin del anterior, algunas versiones Funcionan a 20 MHz, compatible 1:1) PIC16F628A (Es la opcin tpica para iniciar una migracin o actualizacin de diseos antiguos hechos con el PIC16F84A. Posee puerto serial, mdulos de comparacin anloga, PWM, mdulo CCP, rango de operacin de voltaje aumentado, entre otras) PIC16F88 (Nuevo sustituto del PIC16F84A con ms memoria, oscilador interno, PWM, etc que podra convertirse en popular como su hermana). La subfamilia PIC16F87X y PIC16F87XA (los hermanos mayores del PIC16F84 y PIC16F84A, con cantidad de mejoras incluidas en hardware. Bastante comn en proyectos de aficionados). PIC16F886/887 (Nuevo sustituto del 16F876A y 16F877A con la diferencia que el nuevo ya se incluye oscilador interno). PIC16F193x (Nueva gama media de PIC optimizado y con mucha RAM, ahora con 49 instrucciones por primera vez frente a las 35 de toda la vida). PIC18F2455 y similares con puerto USB 2.0 PIC18F2550 manejo de puertos USB 2.0 y muy versatil. PIC18F452 PIC18F4550 dsPIC30F2010 dsPIC30F3014 dsPIC30F3011 (Ideales para control electrnico de motores elctricos de induccin, control sobre audio, etc). PIC32 (Nueva gama de PIC de 32 bits, los ms modernos ya compatible con USB 2.0). 4.1.3.2.-MICROCONTROLADOR AVRSon una familia de microcontroladores RISC del fabricante estadounidense Atmel.La arquitectura de los AVR fue concebida por dos estudiantes en el Norwegian Instituteof Technology, y posteriormente refinada y desarrollada en Atmel Norway, la empresa subsidiaria de Atmel, fundada por los dos arquitectos del chip.Cuenta con bastantes aficionados debidom a su diseo simple y la facilidad de programacinCaractersticas :es una CPU de arquitectura Harvardfue diseado desde un comienzo para la ejecucin eficiente de cdigo C compiladoEl set de instrucciones de los AVR es ms regular que la de la mayora de los microcontroladores de 8-bit (por ejemplo, los PIC).

Los mas usados :ATxmega: procesadores muy potentes con de 16 a 384 kB de memoria flash programable, encapsulados de 44, 64 y 100 pines (A4, A3, A1), capacidad de DMA, eventos, criptografa y amplio conjunto de perifricos con DACs. ATmega: microcontroladores AVR grandes con de 4 a 256 kB de memoria flash programable, encapsulados de 28 a 100 pines, conjunto de instrucciones extendido (multiplicacin y direccionamiento de programas mayores) y amplio conjunto de perifricos. ATtiny: pequeos microcontroladores AVR con de 0,5 a 8 kB de memoria flash programable, encapsulados de 6 a 20 pines y un limitado set de perifricos. AT90USB: ATmega integrado con controlador USBAT90CAN: ATmega con controlador de bus CANTipos especiales: algunos modelos especiales, por ejemplo, para el control de los cargadores de bateras, pantallas LCD y los controles de los motores o la iluminacin. AT90S: tipos obsoletos, los AVRs clsicos Bajo el nombre AVR32, Atmel tiene una arquitectura RISC de 32 bits con soporte de DSP y SIMD. A pesar de la similitud de sus nombres y logotipos, las dos arquitecturas tienen poco en comnCONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR.Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y, cuando traspasa los lmites prefijados, genera las seales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro del rango estipulado.Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a travs del tiempo, su implementacin fsica ha variado frecuentemente. Hace tres dcadas, los controladores se construan exclusivamente con componentes de lgica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazn (chip) de un circuito integrado.Un Microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integracin que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

DIFERENCIA ENTRE MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR.

El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), tambin llamada procesador, de un computador. La UCP est formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta. Los pines de un microprocesador sacan al exterior las lneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoriay los Mdulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitosintegrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuracin es variable de acuerdo con la aplicacin a la que se destine. (Figura 1).

.Figura 1:Estructurade un sistema abierto basado en un microprocesador.

La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicacin. Si slo se dispusiese de un Modelo de microcontrolador, ste debera tener muy potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las diferentes aplicaciones. Esta potenciacin supondra en muchos casos un despilfarro. En la prctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado nmero de modelos diferentes, desde los ms sencillos hasta los ms poderosos. Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el nmero de lneas de E/S, la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseo es la seleccin del microcontrolador a utilizar

odas las partes del computador estn contenidas en su interior y slo salen al exterior las lneas que gobiernan los perifricos.

RECURSOS COMUNES A TODOS LOS MICROCONTROLADORES.

Al estar todos los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental y sus caractersticas bsicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques esenciales Procesador, memoria de datos y de instrucciones, lneas de E/S, oscilador de reloj y mdulos controladores de perifricos. Sin embargo, cada fabricante intenta enfatizar los recursos ms idneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente. En este apartado se hace un recorrido de todos los recursos que se hallan en todos los microcontroladores describiendo las diversas alternativas y opciones que pueden encontrarse segn el modelo seleccionado.Arquitectura bsicaAunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clsica de von Neumann, en el momento presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a travs de un sistema de buses nico (direcciones, datos y control). La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene slo instrucciones y otra, slo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar Operaciones de acceso (lectura o escritura)si multneamente en ambas memorias(Figura 3).

DESARROLLO DEL SOFTWARE:

Ensamblador. La programacin en lenguaje en samblador puede resultar un tanto ardua para el principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versin gratuita para los microcontroladores ms populares.Compilador.La programacin en un lenguaje de alto nivel (como el C el Basic) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el cdigo resultante puede ser mucho ms ineficiente que el programado en ensamblador. Las versiones ms potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores ms populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos.Depuracin:debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos fsicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.Simulador:Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecucin de un programa, siendo ideales para la depuracin de los mismos. Su gran inconveniente es que es difcil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador.

SISTEMAS SECUENCIALES

Aunque es posible programar sistemas secuenciales en LADDER, slo se suele utilizar para el control de sistemas sencillos. En aquellos ms complejos se utiliza la programacin modular o el GRAFCET{8}.

MIGRACIN DE LGICA CABLEADA A LGICA PROGRAMADA

Esto es una constante cuando van apareciendo nuevas tecnologas que realizan con mejores prestaciones los procesos de control, por asi denotarlo, el lengueje del operador electricista por naturaleza es el ladder (diagrama escalera), dado que los sistemas de mandos tienen esa vertiente estructural y filosfica, el lenguaje de los elementos de circuitos es todo o nada, es decir serie y paralelo, no hay otro camino, lgicamente que la confiabilidad de llevar el paso de la corriente de un lado a otro es sumamente alto.De manera tal que siempre dentro del estado de la tcnica con respecto a las tecnologas que hacen la misma cosa con una mejor performance va estar relacionado con la velocidad, costo y confiabilidad.Es por ello que el lenguaje de los PLC, que mas gusta a los electricistas es la programacin grfica LADDER, porque es la que traduce fielmente la migracin de los diagramas de mandos usados en la lgica de los contactores (lgica cableada) en cada uno de los procesos elctricos de automatizacin.Sin desmerecer y determinar las limitaciones y ventajas sobre una u otra tecnologa, lo que nos atae es hacer la migracin hacia los microcontroladores y programarlos de la misma manera como lo hacemos con los PLC, es decir usando algn tipo de programacin grfica, existen programas grficos basados en sistemas de flujos, que tambin son prcticos para emplearlos con los microcontroladores, sin embargo, se hace la migracin un poco reacio para el campo del electricista (lgicamente sin desmerecer la capacidad del operador como del programa). Hasta aqu es auspicioso establecer que los microcontroladores dentro de las familias planteadas (PIC y AVR), poder desarrollar la migracin amigable y sin traumas a la programacin LADDER, y con concretar y hacer uso de los microcontroladores en los diversos procesos que implican la, labor del ELECTRICISTA.Podemos decir, que la MIGRACIN de la lgica cableda a la programada grfica es una realidad concreta que nos va permitir usar una tecnologa ms a parte del PLC, como son los microcontroladores.A.-LGICA CABLEADALgica de contactos, es una forma de realizar controles, en la que el tratamiento de datos (botonera, fines de carrera, sensores, presstatos, etc.), se efecta en conjunto con contactores o rels auxiliares, frecuentemente asociados a temporizadores y contadores.Estn asociados al procesamiento de seales de entrada (provistos por sensores, sean pasivos o activos) para actuar en las salidas (atraves de actuadores, como reles o dispositivos electrnicos de interface).El proceso comprende dos instancias:(1) La retencin(2) El enclavamientoEl primero vlido para establecer una retencin, despus de aperturar la accin de activacin (ON) por un pulsador N.A, y el segundo para someter a un aislamiento a un elemento de accin (esclavo), cuando est activado el (maestro), se dice que estn mutuamente enclavados, cuando indistintintamente, se intercambian las funciones de exclavo a maestro y de maestro a esclavo.La instancia de retencin se hace, con un contacto auxiliar N.A (normalmente abierto), del mismo contactor y se conecta en paralelo al pulsador de activacin (ON). La instancia de enclavamiento se hace con un contacto N.C (normalmente cerrado) del contactor antagnico que se conecta en serie en la lnea de alimentacin a la bobina del contactor. Ambos procedimientos sea la retencin y el enclavamiento, forman parte de la estructura primordial de todo sistema elctrico de control y mando, til para activar los sistemas de fuerza, que es donde se hace la transferencia de la energa.

En lgica cableada, la operacin que se realizan se corresponden segn como se conectan los elementos de entrada para expresarlos en la salida como un proceso lgico:Suma= OR= conexin paraleloProducto=AND=conexin serie

CIRCUITOS DE MANDO Y CIRCUITOS DE FUERZACIRCUITO DE MANDO

Disposicin circuital de elementos de contactos sean retardados y/o contados, dispuestos en serie y/o paralelo, para constituir un proceso secuencial y/o combinatorio, relacionado con la figuras 4 y figura 5.Elementos Los circuitos de mando se representan en los esquemas de mando, donde se pueden incluir gran cantidad de elementos. Entre los ms representativos tenemos:Los fusibles.Protecciones trmicas.Los pulsadores de marcha y de paro.Los rels elctricos.Los temporizadores y sus sealizaciones.Los sensores.Los autmatas programables con sus memorias de semiconductores.Las fuentes de alimentacin estabilizadas con diodo zener.En algunos esquemas especiales se integran los osciladores, etc.{9}

CIRCUITO DE FUERZALos circuitos de potencia son aquellos elementos que hacen de alguna manera el trabajo duro, puesto que son los encargados de ejecutar las rdenes dictaminadas por el circuito de mando.

Elementos Los elementos siguientes entre otros, integran un circuito de fuerza. Fusibles.Interruptores tripolares.Contactores elctricosRels trmicos.Motores, etc. {9

Electrnica industrial y de potenciaING. Edgar Del guila Vela