INSTITUTO LA PAZ DE QUERÉTARO, AC.

“LA CONSUMACIÓN DE UN MICROCONTROLADOR; CUERPO Y ALMA”

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

PRESENTA:

MANUEL ALEJANDRO OSSIO DÍAZ

3° F N.L. 15

NOMBRE DEL PROFESOR:

LIC. BEATRIZ SÁNCHEZ IBARROLA

QUERÉTARO, QRO., 3 DE JUNIO DE 2014

Tema: Ingeniería en sistemas digitales y robótica

Delimitación del tema: micro controladores y sistemas digitales y robótica

Planteamiento del problema: En el presente trabajo se aborda el ampliar

el conocimiento sobre el uso y función de los micro controladores en la

electrónica y el análisis del avance tecnológico pueda llegar a sustituir la mano

de obra del hombre en la industria.

De mismo modo se abarca la siguiente cuestión ¿Puede el avance desmesurado

de la electrónica y robótica sustituir al hombre en el trabajo o la industria?, ¿Qué

son los micro controladores?

Justificación

Esta tesina se realiza con el fin de poder ampliar el conocimiento que se tiene

sobre los micro controladores que se estudian para la carrera de Ingeniero en

Sistemas Digitales y Robótica (ISD)1, además incitar a los jóvenes interesados

en esta carrera y aventurarlos a investigar sobre ella por su cuenta y poder

comprobar la hipótesis que se planteará a continuación.

Hipótesis1

El avance desmesurado de la electrónica y robótica no puede sustituir al hombre

en el trabajo o la industria debido a que la máquina necesita de atención y

mantenimiento.

Objetivos generales

Investigar más sobre el uso, historia y función de los micro controladores

en la ISD.

Objetivos específicos

Estudiar el uso, historia y función de los microcontroladores en la ISD.

Comprobar la hipótesis planteada.

Incitar a jóvenes que se encuentran en elección de carrera a probar y

descubrir más sobre ISD.

Comprobar que ISD es una carrera de amplio potencial en Querétaro, con

mucha demanda laboral.

Índice

Portada

Índice de contenido

Delimitación y planteamiento del problema

Objetivos

Introducción 1

Capítulo 1. Antecedentes Históricos 4

1.1. Historia a inicios del siglo XX1.1.1. Diodos1.1.2. Tríodos

1.2. Historia a mediados y finales del siglo XX1.3. Robótica

1.3.1. Tipos de robots1.4. Partes fundamentales1.5. Microcontroladores1.6. Sensores

Capítulo 2. Marco Teórico 15

1.2.

2.1. Microcontroladores2.1.1. Partes del microcontrolador

2.2. Microcontroladores y microprocesadores2.2.1. Características

2.3. Componentes de un microcontrolador2.4. Programa

2.4.1. Compilación del lenguaje de alto nivel2.5. Arquitecturas del MCU

2.5.1. Arquitectura de Von Neumann 2.5.2. Arquitectura de Harvard

Capítulo 3. El alma del microcontrolador 26

1.2.3.

3.1. Programación 3.2. Programa

3.2.1. Lenguajes de programación 3.2.1.1. Lenguajes de programación de alto nivel

3.3. Compilador3.4. Estructura del programa3.5. Constantes y variables3.6. Operadores

3.6.1. Operadores aritméticos3.6.2. Operadores de asignación3.6.3. Operadores de incremento y decremento3.6.4. Operadores racionales3.6.5. Operadores lógicos3.6.6. Operadores de manejo de bits

Capítulo 4. Investigación de campo 37

4.1. Diseño de la investigación

Capítulo 5. Análisis de resultados 42

5.1. Reporte de resultados

Conclusiones 49

Bibliografía y referencias 51

Introducción

En el siguiente trabajo se observará un trabajo de investigación sobre la

Ingeniería en sistemas digitales y robótica de los micro controladores y sistemas

digitales y robótica para ampliar el conocimiento sobre el uso y función de los

micro controladores en la electrónica y el análisis del avance tecnológico pueda

llegar a sustituir la mano de obra del hombre en la industria.

Los objetivos de esta investigación son:

Investigar más sobre el uso, historia y función de los micro controladores

en la ISD.

Estudiar el uso, historia y función de los microcontroladores en la ISD.

Comprobar la hipótesis planteada.

Incitar a jóvenes que se encuentran en elección de carrera a probar y

descubrir más sobre ISD.

Comprobar que ISD es una carrera de amplio potencial en Querétaro, con

mucha demanda laboral.

El enfoque científico de esta investigación es para poder aportar una obra que

amplíe y sirva de consulta a la gente que esté interesada en estudiar una

ingeniería en sistemas digitales y robótica, para poder ampliar el conocimiento

sobre un tema importante de la misma y podrá observar sobre lo que se conoce

sobre la robótica en la sociedad.

En este trabajo se llevó a cabo por medio de una investigación histórica pues se

realizaron los siguientes pasos:

Se enuncióun problema

Se recolectó información

Se analizaron los datos y las fuentes

Se formuló una hipótesis

Se elaboró el presente informe

Se llegóa una conclusión

El informe se realizóprimero pensando en que se quería aportar con esta

investigación y una vez que se decidió por una investigación informativa se

recolectaron datos de diversas fuentes documentales en bibliotecas y en

internet; todos esto datos se analizaron como dicta la metodología histórica y se

describió la información más importante del tema y una vez terminada la

investigación documental se prosiguió a realizar una investigación etnográfica

con el fin de comprobar la hipótesis formulada.

Terminado el informe se llegó a la conclusión de que hoy en día sin duda alguna

la robótica aplicada y los sistemas digitales han facilitado la vida del hombre en

un sin número de aspectos y que estos seguirán mejorándose a lo largo del

tiempo.

La hipótesis formulada fue rechazada pues con la investigación etnográfica se

verificó que la mano de obra del hombre en la industria será reemplazada pues

ésta ha avanzado de una forma desmesurada e increíble y con esta idea están

de acuerdo un 36.36% de la gente encuestada, y un 31.81% cree que esto no es

posible pues los robots requieren de mantenimiento y un 31.81% permanecen en

incertidumbre, pues estos por el momento requieren de mantenimiento, pero a

un futuro es posible que éstos sean completamente automáticos y no requieran

más del hombre.

Por esto se llegó a la conclusión de que por el momento que un robot no puede

reemplazar al hombre pero en el futuro con el avance tecnológico esta es una

posibilidad y no muy lejana.

Se le invita a leer ésta investigación para que pueda dar testimonio de lo que

aquí se presenta y pueda ampliar su conocimiento sobre los microcontroladores,

la robótica y los sistemas digitales.

Capítulo 1Antecedentes

Históricos

Capítulo 1

Antecedentes históricos

1.1 Historia a inicios del siglo XX

Los orígenes de la electrónica y la robótica moderna datan de muchos años

atrás, a inicios del siglo XX, antes de la II Guerra Mundial con la invención del

diodo.

Esta invención se le es atribuida a John Ambrose Fleming en 1904. El

funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison. El efecto

Edison consiste en hacer pasar la electricidad desde un filamento a una placa

metálica situada en el interior de una lámpara incandescente. Se descubrió en

1883 por Thomas Edison, de ahí que lleve su nombre, y ha sido de vital

importancia para la creación de la válvula de radio y la base de la electrónica

actual.

El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando inventó el tríodo en 1906. Este

dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una rejilla

de control situada entre el cátodo y la placa, con el objeto de modificar la nube

electrónica del cátodo, variando así la corriente de placa. Este fue un paso muy

importante para la fabricación de los primeros amplificadores de sonido,

receptores de radio, televisores, etc.

5

1.1.1 Diodos

Los diodos son componentes electrónicos de dos terminales que permite que la

corriente circule por ellos en un solo sentido. Son uno de los componentes que

más usos pueden tener dentro de la electrónica, su misión puede ir desde

simplemente proteger una zona del circuito por la que no queremos que la

corriente circule en la dirección que no debe; como se ve, tienen una función

muy importante y diversa. Funciones más importantes:

Proteger el circuito

Rectificar la corriente en el circuito

1.1.2 Tríodos

El Tríodo es un componente electrónico de tres electrodos utilizado para

amplificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los

electrones.

El inventor del tríodo fue Alexander Lee De Forest, inventor estadounidense muy

importante al que se le atribuyen más de 300 patentes como por ejemplo del

circuito oscilador de alta frecuencia, el radioteléfono, los sistemas de transmisión

y recepción de radio, los sistemas de comunicación de los trenes, un altavoz, la

celda fotoeléctrica, la cámara de cine a prueba de ruidos y un aparato de

televisión y de televisión a colores.

6

Fue en 1906 cuando De Forest realizó uno de los avances más importantes en el

desarrollo de la electrónica al introducir en el tubo al vacío de Fleming un tercer

electrodo reticulado, llamado rejilla, que permite el paso de electrones.

Hasta ahora hemos podido ver que para inicios del siglo XX ya existían diversos

y pequeños aparatos, que evolucionaron y fueron precursores de la electrónica

moderna y que para mediados y finales del siglo serían aun más, más pequeños

y mejores. Es por esto que Albert Einstein nos decía: “¿Si supiese que es lo que

estoy haciendo, no le llamaría investigación, verdad?2

1.2 Historia a mediados y finales del siglo XX

Conforme paso el tiempo, las válvulas de vacio fueron perfeccionadas, se les

agregaron más electrodos (tetrodos, pentodos) y finalmente para una perfección

en estos, se volvieron más pequeños.

El mayor paso a esta perfección fue con el transistor de unión apareció. Este es

el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la

electrónica. Sus ventajas respecto a las válvulas son entre otras: menor tamaño

y fragilidad, mayor rendimiento energético, menores tensiones de alimentación,

etc. El transistor no funciona en vacío como las válvulas, sino en un estado

2 VERLE, M (2009) PIC Microcontrollers - Programming in C, Recuperado el 11 de mayo de 2014 en: http://www.mikroe.com/products/view/285/book-pic-microcontrollers-programming-in-c/

7

sólido, razón por la que no necesita centenares de voltios de tensión para

funcionar.

1.3 Robótica

La robótica es una ciencia o rama de la tecnología, que estudia el diseño y

construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas realizadas por el ser

humano o que requieren del uso de inteligencia.

Cuando hablamos de robótica y su origen, podemos remontarnos a siglos atrás

en el renacimiento, con los primeros bocetos de un robot hecho por Leonardo da

Vinci, pero el autor más importante y que moldeo la robótica moderna fue un

bioquímico y escritor ruso llamado Isaac Asimov.

Aunque parezca difícil de creer que un hombre que nada tuvo que ver con la

mecánica la eléctrica y la electrónica, halla acuñado el nombre de “robótica” y

aún más importante, las tres leyes de la robótica que hoy en día son vigorosas.

Ley cero: En 1985, Asimov publicó un relato en la que uno de sus robots

se ve obligado a herir a un ser humano por el bien del resto de la

humanidad. Surge así una nueva ley, considerada la Ley Definitiva, la

llamada Ley Cero, superior a todas las demás: "Un robot no puede

lastimar a la humanidad o, por falta de acción, permitir que la humanidad

sufra daños". Quedando así modificada la primera ley: "Un robot no debe

8

dañar a un ser humano, o permitir, por inacción, que un ser humano sufra

daño, a menos que tal acción viole la Ley Cero".

1. Un robot no puede causar daño a un ser humano ni, por omisión, permitir

que un ser humano sufra daños.

2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, salvo

cuando tales órdenes entren en conflicto con la Primera Ley.

3. Un robot ha de proteger su existencia, siempre que dicha protección no

entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley.

Una vez definido el término de robótica, pasamos al primer robot creado y como

ha ido evolucionando la robótica desde entonces.

El primer robot de la época moderna fue creado por Grey Walters, en la década

de los 40, 1942 y lo llamó "Elsie la Tortuga”.

Posteriormente el Instituto de Investigación de la Universidad de Stanford, en

California en 1960 desarrolló a "Shakey" que era una caja inestable con ruedas,

que utilizaba memoria y razonamiento lógico para resolver problemas y navegar

en su entorno.

9

En la figura 1.1 se puede observar a “Elsie la tortuga” y en la figura 1.2 se puede

observar a “Shakey”.

Figura 1.1 Elsie la tortuga 3

Figura 1.2 Shakey4

3

4

10

1.3.1 Tipos de Robots

Hoy en día la amplitud de tipos de robots es muy extensa, y han ido mejorando

debido a las necesidades del hombre, como por ejemplo los robots industriales;

la clasificación más común en los robots es:

Androides

Son todos los robots que tienen forma humana, es decir, que tienen cabeza,

torso y extremidades.

Móviles

Son aquellos que constan o están dotados de cierta parte como piernas, ruedas

u orugas que permiten su movimiento.

Industriales

Son los utilizados en procesos de fabricación o manipulación

Médicos

Son todos aquellos cuya función es ser una prótesis para todo aquel usuario que

lo requiera.

Estos son una pequeña parte de todos los robots que han ido evolucionando a lo

largo de la historia de la robótica.

11

1.4 Partes fundamentales

Como los humanos, los robots han ido mejorando y adaptándose, y ellos como

nosotros constamos de partes fundamentales, las de los robots son:

1. Manipulador

1.1.Cuerpo

1.2.Brazo

1.3.Muñeca

1.4.Gripper

2. Elementos

2.1.Controlador

2.2.Dispositivos de entrada y salida

2.3.Dispositivos especiales

Principalmente, la función del manipulador es la de dar movimiento al robot y

hacer la función para la cual fue creado y/o programado.

La función de los elementos, específicamente el controlador, es controlar cada

uno de los movimientos del manipulador y conservar sus posiciones.

Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y ver los datos del

controlador. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta

programas de control, comúnmente se utiliza una computadora adicional.

12

1.5 Microcontroladores

Podemos ver a los micro controladores como una pequeña computadora; y

¿Qué tiene una computadora? Varias partes, teclado, monitor CPU, entre otros.

De este modo un microcontrolador posee un microprocesador, memoria y

dispositivos periféricos (entrada/salida, puertos de comunicación, etc.)

Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y ver los datos del

controlador. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta

programas de control, comúnmente se utiliza una computadora adicional.

Puede controlar casi cualquier cosa, pues consta de un programa o

programación más o menos complejo dependiendo de la actividad que realizara

y es ayudado por sensores o dispositivos que recogen y analizan la información

para que el robot pueda cumplir su función.

El Instituto Smithsoniano dice que: “los ingenieros de Texas Instruments Gary

Boone y Michael Cochran lograron crear el primer microcontrolador, TMS 1000,

en 1971”5; fue comercializado en 1974. Combina memoria ROM, memoria RAM,

microprocesador y reloj en un chip y estaba destinada a los sistemas embebidos.

Con el tiempo los microcontroladores se volvieron más económicos y útiles, pues

facilitaron la programación de los robots, además de que aumentaron su

practicidad, pues anteriormente solo se podían programar una vez como era el

5

13

caso del microcontrolador con memoria PROM o si se podían reprogramar varias

veces eran muy caros y para poder reprogramarlos se llevaba a cabo un proceso

meticuloso con luz ultravioleta.

1.6 Sensores

Los Sistemas Sensitivos son aquellos que permiten la interacción del robot con

el entorno, estos han avanzado con el tiempo y han mejorado, sobre todo en la

parte del análisis y la interpretación de un fenómeno físico a datos cuantificables

para que el robot pueda reaccionar.

Magnitudes físicas que es necesario medir para que un robot tenga algún

conocimiento del entorno:

Luz

Sonido y ultrasonido

Temperatura

Velocidad

Distancia

Entre otros

Ahora que vimos los orígenes de los sistemas digitales y la robótica, pasaré a

definir de modo complejo los microcontroladores que es el fin de este trabajo.

14

Capítulo 2Marco Teórico

Capítulo 2

Marco teórico

2.1 Microcontroladores

Un microcontrolador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las

órdenes grabadas en su memoria. En su interior contiene una unidad central de

procesamiento (CPU), unidades de memoria (RAM y ROM), periféricos de

entrada y salida. Estas partes están interconectadas dentro del microcontrolador.

2.1.1 Partes del microcontrolador

CPU: La Unidad Central de Procesamiento es el componente principal

que interpreta las instrucciones contenidas en los programas y procesa

los datos. Las CPU proporcionan la característica fundamental del

ordenador digital (la programabilidad).

Memoria: se refiere a parte de los componentes que integran una

computadora. Son dispositivos que retienen datos informáticos durante

algún intervalo de tiempo.

Periféricos de entrada/salida: son los aparatos o dispositivos auxiliares e

independientes conectados a la unidad central de procesamiento a través

de los cuales se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas

que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar

16

sirven básicamente para la comunicación de la computadora con el medio

externo.

2.2 Microcontroladores y microprocesadores

Normalmente se comete el error de confundir y pensar que los

microprocesadores y los microcontroladores son lo mismo y no es así; la

diferencia radica en lo siguiente:

Los microprocesadores fueron creados antes que los microcontroladores y su

desarrollo está fundamentalmente orientado a los ordenadores personales o

estaciones de trabajo que necesitan gran potencia de cálculo, manejo de gran

cantidad de memoria y una velocidad de procesamiento mayor.

Los microprocesadores son diferentes, además de que poseen un

microprocesador dentro de ellos, sus registros internos son de 8, 16, 32 o 64 bits

solamente, y estos se han desarrollado para cubrir las más diversas aplicaciones

como:

Automoción

Comunicaciones

Electrodomésticos

Juguetes

Entre otros

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Estos han sido creados para ser utilizados en aplicaciones puntuales, es decir,

donde se debe realizar un pequeño número de tareas con el menor costo

posible.

Para realizar las aplicaciones, el microprocesador ejecuta la programación que

posee en su memoria, la cual se explicara posteriormente que manifestara por

los periféricos.

2.2.1 Características

En un microcontrolador se buscan y son caracterizados por estas características:

1. Periféricos de entrada y salida: al igual que la capacidad de cálculo del

microcontrolador, se busca que sus periféricos sean de calidad y

eficientes.

2. Optimización de espacio: esta trata de que en el menor espacio posible

de memoria se puedan tener los elementos esenciales para desarrollar

una aplicación.

3. Seguridad en el funcionamiento: se busca que el funcionamiento correcto

del microcontrolador esté garantizado y en caso de que llegue a perder el

programa se pueda corregir la situación fácil y rápidamente.

4. Bajo consumo: como hay ocasiones en las que el microcontrolador se

utiliza en aparatos que usan baterías como en juguetes, es ideal que el

consumo de energía sea mínimo y eficiente

18

5. Protección contra copias: finalmente se busca que el microcontrolador

posea una protección contra copia o pirateo del programa y altere la

programación que posee.

2.3 Componentes de un microcontrolador

Figura 1.3 Esquema de bloques general de un microcontrolador6

Como ya se explico, los microcontroladores constan del CPU, las memorias y

sus periféricos de entrada y salida, pero en el esquema de la figura 1.3 se

pueden ver otros componentes que se explicaran a continuación al igual que los

previamente explicados pero de manera más precisa.

6

19

Los MCU7 disponen de un oscilador que genera los pulsos que sincronizan todas

las operaciones internas.

El CPU es el cerebro del MCU, este trae las instrucciones del programa uno a

uno desde la memoria donde están almacenados, las interpreta y las ejecuta;

dentro del CPU se incluyen los circuitos de la Unidad Aritmético Lógica (ALU)

que realiza las operaciones aritméticas y lógicas en función a los datos binarios.

Los temporizadores son circuitos sincrónicos para el conteo de los pulsos que

llegan a su poder para conseguir la entrada de reloj. Los temporizadores son uno

de los periféricos más habituales en los microcontroladores y se utilizan para

muchas tareas, como por ejemplo, la medición de frecuencia, implementación de

relojes, para el trabajo de conjunto con otros periféricos que requieren una base

estable de tiempo.

El perro guardián (WDT: Watchdog Timer) consta de un oscilador y contador

binario, que se encarga de mientras el programador trabaja en el MCU si el

contador del WDT llega a 0 reinicia el MCU y borra la programación que llevaba,

este es un periférico muy importante, pues garantiza el funcionamiento del MCU

y permite detectar posibles errores en su programación a tiempo.

7

20

El control de interrupciones es de los más importantes, pues brinda la capacidad

de sincronizar la ejecución de programas con acontecimientos externos; es decir,

cuando se produce una interrupción, el MCU automáticamente deja lo que está

haciendo, va a cierta dirección de su programa y ejecuta lo que encuentre a

partir de allí hasta encontrarse con otra instrucción que le hará abandonar la

interrupción y volver al lugar donde se encontraba antes de producirse dicha

interrupción.

Finalmente, los buses son los grupos de líneas eléctricas que conectan los

diferentes bloques del MCU y pueden ser de 3 tipos:

Dirección: transporta direcciones de entrada y salida o memoria

Datos: Transporta datos o instrucciones

Control: Transporta señales de control diversas

2.4 Programa

Los microcontroladores están diseñados para interpretar y procesar datos e

instrucciones en forma binaria. Patrones de 1 y 0 conforman el lenguaje de los

microcontroladores, y es lo único que son capaces de entender. Estos 1 y 0

representan la unidad mínima de información, conocida como bit, ya que solo

puede adoptar uno de dos valores posibles: 0 ó 1.

21

La representación de datos, instrucciones y señales en forma de bits es bastante

difícil para las personas que no conozcan y dominen el sistema de numeración

binario. Aún para los expertos es difícil la interpretación de instrucciones en

forma binaria o lenguaje máquina (el lenguaje maquina se le conoce también

como lenguaje de bajo nivel debido a que las instrucciones no son propias del

lenguaje humano). Es por esto que la programación comúnmente se lleva a cabo

en un lenguaje de alto nivel, es decir, un lenguaje que el lenguaje humano. El

uso de los lenguajes de alto nivel facilita enormemente la programación ya que

son familiares a nuestra manera de comunicarnos. Lenguajes como el C o

BASIC son comúnmente utilizados en la programación de microcontroladores.

2.4.1 Compilación del lenguaje de alto nivel

Los programas escritos en C, en BASIC, o en otro lenguaje de programación de

alto nivel debe ser transformado en lenguaje ó código de máquina, aquí entra

otro software de computadora que traduce y transforma nuestro programa a este

lenguaje para que el MCU sea capaz de entenderlo y acatarlo.

Una vez traducido, el programa se lleva a la memoria ROM del MCU por medio

de un programador físico (hardware) que escribe el programa en la memoria

interna antes mencionada.

22

Figura 1.4 Proceso de compilación del programa8

2.5 Arquitecturas del MCU

Existen dos tipos de arquitecturas, es decir, formas en las que están distribuidos

los componentes del MCU, estas son el estilo Harvard y el estilo Von Neumann.

2.5.1 Arquitectura Von Neumann

En esta arquitectura, el CPU está conectado a una memoria principal única 

donde se guarda el programa y los datos, a la cual se accede a través de un

sistema de buses (control, direcciones y datos).

El tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su

respuesta, ya que no puede buscar

en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de

datos de la instrucción anterior.

8

23

Las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura Von

Neumann son:

La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que

hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria

para buscar instrucciones complejas.

La

limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e

instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual

impide superponer ambos tiempos de acceso

24

Figura 1.5 Arquitectura Von Neumann9

2.5.2 Arquitectura Harvard

Este modelo, que utilizan los Microcontroladores PIC, tiene el CPU conectado a

dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de

dos buses diferentes.

Como ambos buses son independientes y pueden acceder a las instrucciones y

los datos optimiza el uso de la memoria y nos da las siguientes ventajas:

El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, y

por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe

una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad

y menor longitud de programa.

El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de

los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

Figura 1.6 Arquitectura Harvard 10

9

10

25

En este capítulo pudimos observar cómo está formado un MCU, su estructura

interna y sus características, a continuación pasare a explicar la parte más difícil

pero la más divertida cuando se habla de microcontroladores.

26

Capítulo 3El alma del

microcontrolador

Capítulo 3

El alma del microcontrolador

3.1 Programación

Como se explico en el punto 2.4 de esta obra, los microcontroladores están

diseñados para interpretar y procesar datos e instrucciones en forma binaria.

A continuación se hablara sobre los lenguajes de programación como c y todo lo

implica la elaboración de un programa para un MCU.

3.2 Programa

Cuando se habla sobre la programación de un microcontrolador contamos varias

opciones para realizarlo tales como:

C

BASIC

Lenguaje Ensamblador (ASSEMBLER)

Antes de entrar con los lenguajes de programación con las ventajas y

desventajas que nos ofrecen, dejemos en claro lo que es el programa.

Un programa informático es un conjunto de instrucciones que una vez

ejecutadas realizarán una o varias tareas, cuando es un programa de

microcontrolador, este lo almacena en su memoria y lo ejecuta, esto se

27

denomina el código ejecutable y está compuesto por una serie de 0’s y 1’s,

llamado código binario y dependiendo del tipo de MCU que se use y su

estructura, este código binario se puede conformar por palabras de 12, 14 ó 16

bits de ancho.

Cada palabra se interpreta por la Unidad Central de Procesamiento o CPU como

una instrucción para que se ejecute mientras el microcontrolador esté

funcionando. Todas las instrucciones que el microcontrolador llegue a reconocer

y ejecutar se les llaman en grupo como: conjunto de instrucciones. Cuando se

usa el código binario, es más fácil trabajar con el sistema de numeración

hexadecimal, el código que se esta ejecutando se representa con frecuencia

como una serie de números hexadecimales denominada código .hex.

3.2.1 Lenguajes de Programación

Como lo explicado anteriormente era muy difícil de elaborar, se creó el primer

lenguaje de programación llamado Assembler o Ensamblador (ASM); este

lenguaje de programación permitió al programador poder escribir y comprender

el código que estaba haciendo de una manera mucha más sencilla.

Este lenguaje consiste en diversas instrucciones que son abreviaturas con un

significado.

28

El lenguaje de ensamblador ofrece las siguientes ventajas:

A pesar de ser un lenguaje de bajo nivel, funciona con microcontroladores

de gama baja, media y alta.

Ofrece un máximo aprovechamiento de recursos

Permite explotar el máximo potencial del CPU a bajo costo en memoria

Fácil de usar

También consta de algunas desventajas como:

Solo funciona en CPU

Es muy difícil de usar para crear programas muy complejos

Un solo error puede alterar todo el equipo o programa.

3.2.1.1 Lenguajes de programación de alto nivel

Para poder superar las desventajas y errores que tenía el Ensamblador, se

crearon lenguajes de alto nivel como C o BASIC, en estos lenguajes se

cambiaron las instrucciones del Ensamblador por una sentencia, es decir, una

línea de código escrita.

A continuación se mostraran las ventajas y desventajas del leguaje C y BASIC

Ventajas en C

Es un lenguaje muy flexible que permite programar con múltiples estilos.

Impide operaciones sin sentido.

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Desventajas

El programa tiende a volverse muy extenso y pesado.

Ventajas en BASIC

Es un leguaje muy sencillo de usar cuyas instrucciones se pueden

entender incluso entre las personas que desconocen del tema.

Desventajas

Se limita al uso de Windows.

Limita la generación del archivo .hex por lo que no optimiza el tamaño de

la memoria usada.

Todos los lenguajes vistos, sirven para crear las instrucciones que realizara el

microcontrolador, pero estas aun no son entendidas por éste, por lo cual se

tienen que traducir a código de máquina (binario).

3.3 Compilador

Es un programa de computadora que compila el archivo fuente o programa que

escribimos en cualquier tipo de lenguaje de programación, y lo traduce a código

binario para que sea entendido por el MCU.

El proceso de compilación comprende los siguientes pasos:

30

1. El archivo fuente contiene el código escrito por el programador.

2. El compilador ejecuta un preprocesador que busca todas las directivas

(estas empiezan con un #) en el código y las modifica.

3. El analizador sintáctico busca y elimina toda la información inútil en el

programa como espacios en blanco que ocupan espacio en la memoria.

4. El compilador analiza la información obtenida en los últimos pasos y

traduce el código a un archivo binario llamado .mcl.

5. El enlazador junta toda la información que se necesita para ejecutar el

programa de los archivos externos y la agrupa en un solo archivo

llamado .dbg.

6. Para terminar el generador.hex, compila el .dgb y lo convierte en un

archivo .hex que es el archivo que el MCU tendrá en su memoria.

Figura 1.7 Building o proceso de compilación11

11

31

3.4 Estructura del programa

Lo que se busca principalmente al escribir un programa es convertir el problema

en general o mayor, en pequeñas divisiones, es decir, en problemas más

pequeños.

Es lo que puede apreciar en la siguiente imagen:

Figura 1.8 Diagrama de flujo para solucionar un problema12

12

32

Como se puede observar, el proceso de compilación es el mismo al iniciar un

proyecto con MCU’s para dar solución a un problema, la estructura es la que

cambiara dependiendo el programa usado ya sea la cabecera, las directivas o la

función principal.

3.5 Constantes y variables

Las variables son datos que se nombran durante la programación, a estos datos

se les asigna un valor el cual puede ser cambiado durante la ejecución de un

programa, mientras que las constantes son datos que cuyo valor no se puede

cambiar durante la ejecución del programa.

Estos tienen una función importante durante la elaboración del programa, pues

facilitan el uso de datos para que sean interpretados en la acción que vaya a

realizar el MCU.

3.6 Operadores

Durante la programación, podemos hacer uso de operadores lógico

matemáticos, los cuales nos permiten realizar operaciones si algún programa asi

lo requiere, por ejemplo si queremos crear un programa para un MCU que

calcule la temperatura y la marque en una pantalla LCD hacemos uso de

operadores.

Existen 6 tipos de operadores en programación, estos son los siguientes:

33

Operadores aritméticos

Operadores de asignación

Operadores de incremento y decremento

Operadores relacionales

Operadores lógicos

Operadores de manejo de bits

3.6.1 Operadores aritméticos

Se utilizan en las operaciones aritméticas y siempre devuelven resultados

numéricos, estos son:

Suma +

Resta -

Multiplicación *

División /

3.6.2 Operadores de asignación

Asignan valores a las variables usando el carácter “=”

+= b+=5 b=b+5

34

-= b-=5 b=b-5

*= b*=5 b=b*5

/= b/=5 b=b/5

3.6.3 Operadores de incremento y decremento

Estos incrementan o reducen el valor de las variables por 1

++

- -

3.6.4 Operadores relacionales

Este tipo de operadores son utilizados para comparar dos valores, estos

operadores van de la mano con los operadores lógicos.

> mayor que < menor que == igual que

>= mayor o igual que <= menor o igual que ¡= diferente que

3.6.5 Operadores lógicos

35

Los operadores lógicos, nos permiten obtener veracidad sobre una expresión, de

modo que se pueda realizar otra función si el resultado es verdadero o falso

&& y || O ¡ No

3.6.6 Operadores de manejo de bits

Son como los operadores lógicos, pero en vez de aplicarse a una expresión, se

aplica sobre los bits de un operando.

En este capítulo se analizo de una manera sencilla las partes más importantes

de la programación de los MCU, se observo la metodología que se lleva a cabo

en el mismo, y a continuación se realizara una investigación de campo, con el fin

de resolver la hipótesis planteada al principio.

En el siguiente capítulo se explicará el tipo de muestra empleado asi como una

muestra de la encuesta que se aplicará

.

36

Capítulo 4Investigación de

campo

Capítulo 4

Investigación de campo

4.1 Diseño de la investigación

A continuación se realizará una encuesta, con el fin de poder resolver la

hipótesis formulada al inicio de la investigación, y poder observar cuánto conoce

la gente sobre robótica y la opinión que tienen de ésta.

El diseño de la investigación de campo será la siguiente:

Se realizará una encuesta por un muestreo no probabilístico a 2 especialistas

sobre el tema, pues estos al tener experiencia sobre el ámbito, y asi es más fácil

llegar a una conclusión y poder analizar la hipótesis.

También se efectuará una encuesta por muestro probabilístico de ponderación

bajo los siguientes criterios:

Se encuestará a la gente entre los 18 años y 45 años de edad

Se ejecutará una encuesta a una mujer y posteriormente a un hombre,

sucesivamente hasta entrevistar a 10 mujeres y 10 hombres.

El tamaño de la muestra se iba a elegir por medio de una fórmula para

determinar el tamaño de una muestra cuando se desconoce la población, pero al

momento de realizarla el tamaño de la muestra obtenido era muy bajo, por lo que

38

se decidió estandarizar a 20 encuestas. La fórmula de la cual se habló es la

siguiente:

n= z2 pqe2

Donde:

A continuación se enseña un cuestionario en blanco para servir de muestra:

39

n= Tamaño de la muestra

z=Valor estandarizado por nivel de confianza

p= Variabilidad positiva

q=Variabilidad negativa

e= Margen de error

Encuesta sobre robóticaEdad: Género:

La siguiente encuesta se realizara con el fin de poder resolver la hipótesis formulada al inicio de la investigación, y poder observar cuánto conoce la gente sobre robótica y la opinión que tienen de ésta.

Instrucciones: Señale con una x la opciones que usted considere mejor¿Cuál ó cuáles de los objetos aquí presentados describiría Usted como "robot"?

Imagen si no

¿Qué opinión tiene usted sobre los robots?(responda con una x, si es otro defina cuál)

Los robots son bastante útiles y facilitan nuestro trabajo

Los robots son juguetes

Los robots son una amenaza para el hombre

40

Otro:

(responda con una x, si es otro defina cuál)

En la industria

Como uso personal y diversión

Los robots no son útiles

otro:

¿Cree usted posible que los robots puedan sustituir la mano de obra del hombre?Si Dudoso No

¿Cuál de los siguientes robots considerada usted que deben ser operados por un hombre?Robot Si No

¡Gracias por su colaboración!

41

Capítulo 5Reporte de resultados

Capítulo 5

Reporte de resultados

5.1 Reporte de resultados

Al terminar de realizar la investigación etnográfica con las encuestas

a las 22 personas que se realizó en la plaza de la tecnología a las

personas que por ahí circulaban el día sábado 24 de mayo de 2014,

se obtuvieron los siguientes resultados:

1.- ¿Cuál ó cuáles de los objetos aquí presentados describiría Usted como

"robot"?

De esta pregunta se obtuvo lo siguiente:

1

2 3 4

43

Resultados 1° pregunta

Imagen 1 si es un robotImagen 1 no es un robotImagen 2 si es un robotImagen 2 no es un robotImagen 3 si es un robotImagen 3 no es un robotImagen 4 si es un robotImagen 4 no es un robot

La imagen número 1 es considerado un robot, es una aspiradora completamente

automática, con sensores para no chocar.

La imagen número 2 no es considerado un robot, es solamente un automóvil.

La imagen número 3 es un furby, un robot dedicado al entretenimiento

doméstico.

La imagen número 4 si es un robot, sacado de un videojuego llamado Titanfall.

De estos resultados, se puede observar que la mayoría de la gente tomada en la

muestra tiene conceptos sobre lo que es un robot y que no.

44

2.- ¿Qué opinión tiene usted sobre los robots?

Opinión sobre los robots

Son útiles y facilitan nuestro trabajoSon juguetesSon una amenza para el hombre

De ésta pregunta podemos ver que la mayoría de la gente de la muestra

encuestada piensa que los robots facilitan nuestra vida y son realmente útiles,

unos cuantos que solamente son juguetes y una persona considera que podrían

llegar a ser una amenaza.

45

3.- ¿En qué áreas puede ser útil un robot?

Área de utilidad de un robot

IndustriaUso personal y entretenimientoNo son útiles

De la pregunta sobre el área de aplicación de un robot, descubrimos que la

mayoría de las personas consideran que tienen mayor utilidad en la industria, un

porcentaje menor que son mejores para el uso personal y una persona que no

son realmente útiles.

4.- ¿Cree usted posible que los robots puedan sustituir la mano de obra del

hombre?

Hipótesis

Los robots remplazaran al hombre en el trabajoIncertidumbreLos robots no remplazaran al hombre en el trabajo

46

En ésta pregunta se puede observar que la incertidumbre sobre si esto pueda

suceder o no tiene un mismo peso que el porcentaje de las personas que

piensan que no es posible que suceda; sin embargo el porcentaje de personas

que creen que esto sea posible incluido uno de los expertos en el tema hace

pensar sobre el futuro aun incierto de los robots.

5.- ¿Cuál de los siguientes robots considera que deben ser operados por el

hombre?

1 23 4

47

Automatización de un robot

Imagen 1 es automáticoImagen 1 no es automáticoImagen 2 es automáticoImagen 2 no es automáticoImagen 3 es automáticoImagen 3 no es automáticoImagen 4 es automáticoImagen 4 no es automático

La imagen 1 es un robot automatizado, opera gracias a la programación que le

brindo un hombre.

La imagen 2 debe ser operado por un hombre, es un robot quirúrgico.

La imagen 3 no debe ser operado por un hombre, es un robot músico que toca el

programa que tiene grabado.

La imagen 4 debe ser operado por el hombre pues un robot operado por radio

control (RC).

De esto, podemos observar que la mayoría de la gente entiende el concepto de

automatización y sabe en qué robots se da y cuáles no.

48

Conclusión

La presente tesina tuvo como objetivo Investigar más sobre el uso, historia y

función de los micro controladores en la ISD, para incitar a todo aquel que leyera

este trabajo de conocer más sobre los microcontroladores y la carrera de ISD.

Para lograr esto, primero se realizó una extensa investigación documental sobre

toda la historia y origen de la robótica y de los sistemas digitales, de sus

orígenes del siglo XX y su evolución hasta nuestros días.

Posteriormente se prosiguió a investigar sobre lo que es y lo que hace un

microcontrolador, su estructura y características, terminando la investigación

documental con las bases y fundamentos de la programación del

microcontrolador.

Terminando la investigación documental se prosiguió a una investigación

etnográfica para poder calcular la veracidad o falsedad de la hipótesis planteada

la cual fue rechazada, debido a que con la investigación etnográfica se verificó

que la mano de obra del hombre en la industria será reemplazada pues está

avanzado de una forma desmesurada e increíble y con esta idea están de

acuerdo un 36.36% de la gente encuestada, y un 31.81% cree que ésto no es

posible pues los robots requieren de mantenimiento y un 31.81% permanecen en

incertidumbre, pues éstos por el momento requieren de mantenimiento, pero a

49

un futuro es posible que éstos sean completamente automáticos y no requieran

más del hombre.

Por esto se llegó a la conclusión de que por el momento que un robot no puede

reemplazar al hombre, pero en el futuro con el avance tecnológico ésta es una

posibilidad y no muy lejana.

Esta investigación no supuso ningún obstáculo muy difícil de superar pues fue

meramente un trabajo con una metodología histórica, por lo que el trabajo se

resumió a investigación pura en fuentes documentales.

Gracias a este trabajo se logró indagar aun más en el tema y se logró ampliar el

conocimiento tanto del autor de la presente tesina así como el del lector que la

posee en el momento; finalmente se puede concluir que esta investigación abrió

un campo amplio de futura investigación debido a que el progreso tecnológico

que genera el hombre no acabaráy la evolución de las máquinas permitirá una

investigación más a fondo sobre las máquinas del ayer, del hoy y del futuro.

50

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