Control Con Micros Soto

Control con Microprocesadores

CONTROL CON MICROPROCESADORES Nelson Sotomayor O., MSc Departamento de Automatización y Control Industrial ESCUELA POLITECNICA NACIONAL Quito - Ecuador Septiembre 2009

OBJETIVOS: • • •

Diseñar sistemas de control basados en microcontroladores Construir sistemas de control basados en microcontroladores Integrar el conocimiento de Hardware y Software para resolver problemas prácticos

CONTENIDO: Sistemas basados en microcontroladores Microcontrolador en modo extendido Periféricos de entrada/salida Circuitos de barrido de displays, displays LCD Técnica de barrido y decodificación de teclados Interfaz de comunicación serial RS-232, 485 Comunicación Serial Sincrónica, USART, SPI, IIC Tratamiento de señales análogas y digitales Técnicas de conversión A/D y D/A Comparador Analógico Técnicas de Control digital Modulación senoidal de ancho de pulso Controlador PID Circuitos auxiliares, (fuentes, protecciones, tipos de reset´s, alimentación y respaldo de memoria)

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1.

INTRODUCCIÓN

Los microcontroladores constituyen la parte “inteligente” de gran cantidad de sistemas tales como: • Control de procesos automáticos, de máquinas, herramientas, aparatos de maniobra, de posición, de velocidad, etc. • Sistemas de alarmas de todo tipo: Indicadores y control de nivel, regulación de caudal, apertura automática de dispositivos, etc. • Controladores de periféricos como impresoras, módem, teclados, unidades de disco, etc. • Equipos de sonido y televisores, donde son tratadas las señales de audio y video. • Sistemas industriales para contar elementos, generación de bases de tiempo, etc.

Como se puede apreciar hay un número infinito de aplicaciones en las que se puede incluir a un microcontrolador. Prácticamente lo que se pueda imaginar se puede implementar con un mayor o menor grado de dificultad.

Pero hay que tomar en cuenta que los microcontroladores son dispositivos muy sensibles por lo que al utilizarlos se debería colocar a la par circuitos auxiliares que mejoren su desempeño y lo hagan menos sensible a perturbaciones externas.

2. MICROCONTROLADOR EN MODO EXTENDIDO

Los microcontroladores para comunicarse con el mundo exterior tienen puertos de entrada/salida a los cuales se puede conectar distintos periféricos, en algunos casos directamente (PICS; ATMEGA) y en otros usando elementos adicionales como latch’s

o buffer’s que permiten hacer a esos periféricos

compatibles con microprocesador.

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LATCH (74LS373)

Figura 2.1 Latch

BUFFER (74LS244)

Figura 2.2 Buffer

MUX (74LS138)

Figura 2.3 Decodificador de 3 a 8

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En microcontroladores que tienen bus de datos y bus de direcciones es necesario el uso de latch, buffer y decodificador de direcciones para colocar periféricos al mismo.

Ejercicios de aplicación (se realizan en el aula)

En microcontroladores que tienen salidas de corriente alta como los PICS o los ATMEGA los periféricos pueden ser conectados directamente

Figura 2.4 Periféricos conectados directamente a los puertos

Si se necesita manejar con un microcontrolador un número de periféricos mayor al número de entradas y salidas que tiene el microcontrolador se tiene dos caminos a seguir; Cambiar de microcontrolador por uno que tenga un número mayor de entradas/salidas o utilizar el mismo esquema que se utiliza en microcontroladores que tienen bus de datos y bus de direcciones.

Ejercicios de aplicación (se realizan en el aula)

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2. DISPLAYS DE 7 SEGMENTOS Si lo que se desea es mostrar números una alternativa es utilizar displays de siete segmentos, donde cada dígito estará formado por el encendido adecuado de los leds que forman cada segmento o un cristal líquido en el caso de LCD’s.

Esta constituido por siete leds, puede ser ánodo común o cátodo común, algunos displays un punto a la derecha y/o a la izquierda o dos puntos.

Para usar el display de ánodo común se debe conectar este terminal al voltaje positivo garantizando la corriente adecuada y controlando el encendido de los segmentos por un estado lógico bajo en los terminales del cátodo de cada diodo. En los displays de cátodo común, se pone este terminal a la referencia o tierra y se controla con niveles lógicos altos a los terminales del ánodo de cada segmento, asegurándose siempre un flujo de corriente adecuado. Para limitar la corriente es necesario conectar una resistencia. Como interfaz para manejar estos displays, existen los decodificadores de BCD a siete segmentos, con los cuales se utiliza menos líneas de control para el encendido del display, por lo que con un bus de 8 bits se podría manejar dos display al mismo tiempo. Si se desea utilizar más de dos displays, se puede utilizar la técnica de barrido secuencial o usar chips especializados que manejan y controlan múltiples dígitos.

En este tipo de displays solo se puede mostrar números y ciertos caracteres por lo que no son muy útiles si se quiere mostrar mucha información. Otra alternativa para mostrar números es utilizar LCD´s de siete segmentos que son fáciles de manejar al igual que la de los leds. Tienen la ventaja de consumir menos corriente, pero la desventaja de tener un menor ángulo de visibilidad por lo que necesitan de luz externa o adicional para poder ver la información, lo que no sucede con los leds. Por lo tanto la selección dependerá de la aplicación particular y las condiciones de trabajo.

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Figura 3.1 Circuito para barrido de displays

3.1 Barrido Secuencial •

Se coloca todos los segmentos en paralelo, y una resistencia en serie con cada segmento común

•

Se habilita un cátodo a la vez a una velocidad lo suficientemente alta como para que el ojo humano no distinga el barrido, pero no tan alta como para que el display no responda. Normalmente se trabaja entre 300Hz y 2KHz.

Figura 3.2 Señal de barrido

∧

Irms = δ I 6

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Teniendo como dato la Irms, se calcula la corriente pico y con ese valor utilizando la ley de ohm se calcula el valor de la resistencia que se coloca en serie con cada segmento.

3.2 DRIVER ICM7211, ICM7212 Son dispositivos de 40 pines que permiten manejar 4 displays de 7 segmentos, con entrada BCD. Las salidas tienen retención. Tiene dos presentaciones para ingreso de datos, una que utiliza un multiplexor BCD, y otro con interfaz para microcontrolador. •

7211 maneja displays tipo LCD

•

7212 maneja displays tipo LED

En estos dispositivos un oscilador interno enciende uno a uno los dígitos en secuencia, de manera que cada display estará encendido 1/4 del tiempo. El chip tiene la ventaja de garantizar la corriente necesaria a cada display.

Para escribir un valor en el display se debe escoger el dígito con el data address, escribir un dato en ID0-ID7 y dar un pulso en bajo en WRITE, este pulso debe ser de por lo menos 200 nanosegundos de ancho y el dato debe mantenerse por lo menos 100 nseg después de que WRITE regreso a un nivel alto. Una acción de escritura con el microcontrolador cumple satisfactoriamente con este requisito [1].

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Figura 3.3 Configuración de pines ICM7211/7212, tomado de [1]

4. DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO

Este tipo de display tiene ciertas ventajas al compararlos con los de 7 segmentos, ya que en ellos se puede presentar mayor información ya que en estos displays, se pueden ver caracteres numéricos, alfabéticos

y otros

caracteres. Se presentan en formatos de datos alfanuméricos o completamente gráficos.

Cada segmento del LCD tiene componentes orgánicos que actúan de acuerdo con el voltaje aplicado. Los de imagen positiva, los más comunes, opacan el segmento cuando tiene un voltaje aplicado y son transparentes cuando no existe el voltaje y los de imagen negativa, se opacan cuando no tiene aplicado el voltaje y son transparentes cuando existe voltaje en sus terminales

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De acuerdo a la aplicación se debe escoger el display más adecuado.

4.1 DISPLAY ALFANUMÉRICO

Es un display LCD que puede mostrar caracteres alfanuméricos formados con una matriz de puntos. Se los conoce por el número de caracteres por fila y el número de filas. (ejemplo: LCD 16x2). Este tipo de displays puede trabajar con un bus de datos de 8 bits o de 4 bits

Figura 4.1 Matriz de puntos, tomado de [2]

Figura 4.2 Mapa de memoria, tomado de [2]

Figura 4.3 Distribución de pínes

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Tabla 4.1 Distribución de pines

Pin Símbolo Nivel

Función

1

VSS

-----

GND

2

VDD

-----

Fuente de polarización

3

VEE

-----

Contraste

4

RS

H/L

Señal selección de registro

5

R/W

H/L

Selección lectura / escritura.

R: Lectura, W:

Escritura 6

E

H/L

Señal de habilitación

7

DB0

H/L

8

DB1

H/L

9

DB2

H/L

10

DB3

H/L

11

DB4

H/L

Línea bus de datos a 4 bits Línea bus de datos a 4 bits Línea bus de datos a 4 bits Línea bus de datos a 4 bits Línea bus de datos

12

DB5

H/L

Línea bus de datos

13

DB6

H/L

Línea bus de datos

14

DB7

H/L

Línea bus de datos

15

Ánodo

-----

Terminal ánodo del led

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Cátodo

-----

Terminal cátodo del led

/ Sin conexión para operación / Sin conexión para operación / Sin conexión para operación / Sin conexión para operación

Para ajustar el contraste se utiliza el potenciómetro P de 10 K Ω , por recomendación del fabricante [3] (Figura 4.3).

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Para que la luz de fondo se encienda debe circular una corriente de aproximadamente 33mA a través del led, por lo que se recomienda usar una resistencia R de 150 Ω .

Para poder utilizar el LCD, este debe ser inicializado. Normalmente este proceso se debe hacer como parte de la inicialización del microcontrolador que se utilice. Tabla 4.2

Secuencia de inicialización, tomado de [2]

*Más información pdf Instrucciones LCD del material didáctico

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5. TÉCNICAS DE BARRIDO Y DECODIFICACIÓN DE TECLADOS El teclado más básico puede ser implementado usando pulsadores, la ventaja de este tipo de teclado radica en su fácil implementación, pero se necesita un pin del microcontrolador por cada tecla, por lo que se lo debería usar únicamente en sistemas microproceados que necesiten un número reducido de teclas

Figura 5.1 Conexión de un pulsador al uC

Los pulsadores inevitablemente generan rebotes cuando son utilizados, la cantidad de estos depende del tamaño del mismo. Por esta razón junto a un pulsador se debe utilizar un circuito eliminador de rebotes.

5.1 ELIMINACIÓN DE REBOTES

Figura 5.2 Rebotes en un pulsador

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Para contrarrestar los efectos indeseables de los rebotes se tiene 2 técnicas, la eliminación por hardware y la eliminación por software. Para eliminar rebotes por hardware se añade al circuito un retardo de tiempo usando una red RC, o una red RC y un inversor con histéresis como se aprecia en la Figura 5.3.

Figura 5.3

Eliminación de rebotes por hardware

Para eliminar rebotes por software se añade retardos justo en el momento de detectar el primer flanco de bajada. Al terminar el retardo se lee el estado del pin.

Si se desea un número mayor de teclas usando pulsadores es necesario utilizar una técnica de decodificación en hardware.

5.2 DECODIFICACIÓN EN HARDWARE

Para

usar

un

número

mayor

de

pulsadores

con

pocas

líneas

del

microcontrolador se utiliza el circuito de la Figura 5.4, como se puede apreciar al presionar una tecla se tiene en la entrada del microcontrolador (pines A, B, C) un número correspondiente a la posición de la tecla presionada. El número de teclas que se puede colocar viene dado por la siguiente expresión:

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Número de teclas = 2 n − 1 Donde: n = número de líneas del microcontrolador

Todas las líneas en alto indicaría el estado de reposo del teclado

Figura 5.4 Teclado de 7 teclas con interrupción

5.3 DECODIFICADOR DE TECLADO (74C922) Existe en el mercado decodificadores que sirven de interfaz entre el teclado y el microprocesador, un ejemplo es el CI 74C922 para 16 teclas y 74C923 para 20 teclas.

Estos integrados tienen su propio circuito de búsqueda a la frecuencia determinada por capacitores externos o señal de reloj que se le coloque, tiene resistencias de pull-up internas y permite identificar la tecla presionada. En este caso cada tecla no necesita una línea dedicada y se puede detectar 16 teclas con 4 líneas

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74C22 tiene las siguientes características [4]:

•

Transforma automáticamente el código de la tecla presionada en un número de 4 bits (0000 - 1111).

•

El chip tiene 4 entradas para X1.X4 y 4 salidas Y1..Y4 que se conectan a las X1..X4 y Y1..Y4 del teclado matricial y 4 salidas de datos A,B,C,D que identifican la tecla presionada.

•

Tiene su propio circuito de detección, incluyendo resistencias de pull up para las filas. Pero necesita añadir un capacitor externo a la entrada OSC para la frecuencia de búsqueda o utilizar un reloj externo con este propósito.

Se sabe que existe una tecla presionada por que la salida DA (data available) se pone en alto cuando esto ocurre y puede ser utilizada como señal de interrupción. Se debe poner además un capacitor para eliminación de rebotes en KBM, dimensionado de acuerdo al periodo de rebote, por ejemplo un capacitor de 1 microfaradio, ignora los rebotes de hasta 10 milisegundos

La tecla presionada debe ser almacenada en el momento que DA se pone en alto.

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Figura 5.5 Decodificador hexadecimal de teclado, tomado de [4]

6. COMUNICACIÓN SERIAL Para comunicarse entre dispositivos se utiliza comunicación sincrónica o asincrónica.

En la transmisión sincrónica los datos se envían uno a continuación del otro desde la línea TXD a la RXD. Tanto el transmisor como el receptor son sincronizados con una línea adicional que transmite los pulsos de reloj.

En la transmisión asincrónica no se emplea una señal de reloj, pero para que los dispositivos se entiendan se encapsulan los datos con un bit de inicio y uno o dos bits de parada, y se tiene un acuerdo en la velocidad de transferencia de los datos.

Al transmitir los datos estos deben estar referidos a tierra del TX y RX. Y se los puede enviar de manera diferencial o balanceada, en cuyo caso las tierras del TX y RX no están unidas y se envía dos líneas de datos (de manera diferencial)

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o de manera desbalanceada cuando las tierras de ambos se unen y se coloca una sola línea de datos.

Sea cual sea el medio que se utilice balanceado o desbalanceado y el tipo de comunicación sincrónico o asincrónico, la comunicación general puede ser realizada de 3 maneras:

•

Simplex: Cuando se realiza una comunicación unidireccional

•

Duplex (Full duplex): Comunicación bidereccional al mismo tiempo

•

Half Duplex: Comunicación bidireccional pero no al mismo tiempo. (Maestro esclavo).

6.1 INTERFACES DE COMUNICACIÓN

6.1.1 INTERFAZ RS232 [5]

Este estándar fue diseñado en los 60s para comunicar un equipo Terminal de datos o DTE (Data Terminal Equipment, PC) y un equipo de comunicación de datos o DCE (Data Communication Equipment, modem).

Antes de realizar cualquier comunicación por el puerto RS232 se debe fijar el protocolo a seguir, es decir especificar número de bits de inicio, paridad, número de bits de datos, bits de parada, además de la velocidad.

El estándar RS232 trabaja con voltajes de +/- 15V con lógica invertida, es decir un 1L se representa con un voltaje comprendido entre -3V y -15V, mientras que un OL esta comprendido entre 3V y 15V. Los voltajes más utilizados son +/- 12V.

El estado de reposo de los drivers es 1L es decir -12V. El voltaje umbral es +/- 5V.

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Dependiendo de la velocidad de comunicación se puede transmitir hasta una distancia de 50 pies (15 metros). Tabla 6.1 Especificaciones eléctricas, tomado de [5] Parámetros

Condiciones

Min Max Units

Driver Output Voltage Open Circuit Driver Output Voltage Loaded Driver Output Resistance Power Off

3k

< RL < 7 k

±5

-2V
Slew Rate

V V

300 4

Maximum Load Capacitance Receiver Input Resistance

25 ±15

3

30

V/µS

2500

pF

7

Receiver Input Threshold: Output = Mark

k V

-3

Output = Space

3

Figura 6.1 Trama de datos, comunicación RS232

Figura 6.2 Conectores DB25 y DB9

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Tabla 6.2

Distribución de pines

Los pines más utilizados son:

•

TxD.- Línea por la que se envían los datos

•

RxD.- Línea por la que se recibe los datos

•

DTR.- Línea por la que el PC indica al modem que esta activo para comunicarse

•

DSR.- Línea por la que el modem indica al PC que esta activo para establecer comunicación

•

RTS.- con esta línea el PC indica al modem que esta preparado para transmitir datos

•

CTS.- tras un RTS, el modem pone en 1L esta línea tan pronto este preparado para recibir datos

•

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SG.- señal de tierra

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El puerto serial de los microcontroladores trabaja con niveles TTL con lógica normal es decir 0L = 0V y 1L = 5V, por lo que si se quiere comunicarlo con un PC es necesario utilizar circuitos que cambien los niveles TTL a 232 y viceversa. Para ello se utilizan interfaces con tierras unidas o aislados.

Figura 6.3 Max232 circuito básico y distribución de pines, tomado de [6]

Figura 6.4 Interfaz TTL / 232

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Figura 6.5 Interfaz aislado TTL / 232

6.1.2 INTERFAZ RS485 Utiliza una línea balanceada con una impedancia característica de 120 ohms, con lo que se mejora la velocidad y las distancias máximas de comunicación.

•

10 Mbs a 40 pies

•

100 Kbs a 4000 pies (aprox 1200 metros)

En este interfaz se puede colocar varios transmisores y receptores (hasta 32), en una configuración maestro esclavo (half duplex). Trabaja con +/- 5V con lógica invertida: 0L = +5V; 1L = -5V

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Tabla 6.3 Especificaciones eléctricas, tomado de [5] Parameter

Conditions

Driver Output Voltage Open Circuit

Min Max

Units

1.5 -1.5

6 -6

V V

1.5 -1.5

5 -5

V V

Per output to common

±250

mA

Driver Output Rise Time

RL = 54 CL = 50 pF

30

% of bit width

Driver Common-Mode Voltage

RL = 54

±3

V

±200

mV

12

V

Driver Output Voltage Loaded Driver Output Short Circuit Current

Receiver Sensitivity

RL= 100

-7V
Receiver Common-Mode Voltage Range

-7

Receiver Input Resistance

12

k

Figura 6.6 Conexión RS485, tomado de [10]

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Figura 6.7 Interfaz de comunicación serial RS232 a un hilo

6.2 PROTOCO DE COMUNICACIÓN

Figura 6.8 Protocolo de comunicación

Donde: SOH ADR LEN MENSAJE CRC

Cabecera, inicio de comunicación Dirección Longitud Comando y parámetros Chequeo de errores

6.3 COMUNICACIÓN SERIAL SINCRÓNICA Se puede realizar de tres maneras:

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•

USART

•

SPI

•

IIC

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6.3.1 USART El puerto Serial universal sincrónico y asincrónico para recepción y transmisión, es el dispositivo más flexible para comunicación serial. Sus características son:

•

Operación full duplex

•

Operación sincrónica o asincrónica

•

Operación como maestro o esclavo en operación sincrónica

•

Baud rate de alta resolución

6.3.2 SPI (Serial periferical interface) Este interfaz permite comunicar a alta velocidad de manera sincrónica al microcontrolador con otros dispositivos compatibles. Sus características son:

•

Comunicación a 3 hilos, línea de Tx, Rx y señal de reloj

•

Comunicación full duplex

•

Permite el trabajo como maestro o como esclavo

6.3.3 IIC (Inter integrated circuit) [7]

Es este tipo de comunicación serial, el dispositivo que envía datos en el bus se define como un trasmisor y el dispositivo que recibe datos es el receptor. El dispositivo que controla el bus se llama maestro, los dispositivos que son controlados por un maestro son referidos como esclavos. El bus puede ser controlado por un dispositivo maestro el cual genera la señal de reloj, controla el acceso al bus y genera las condiciones de inicio y parada. Una típica configuración usando el protocolo I2C se muestra en la Figura 6.9.

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Figura 6.9 Bus I2C, tomado de [8]

La transferencia de datos es posible solo cuando el bus no este ocupado. Durante la transferencia, la línea de datos debe permanecer estable mientras la línea de reloj este en alto, los cambios en la línea de datos mientras que la línea de reloj este en alto son interpretados como condición de inicio o condición de parada como se puede apreciar en la Figura 6.10.

Figura 6.10 Condiciones de inicio y parada

6.3.3.1 Características generales

Las características más relevantes son:

•

Utiliza dos líneas SDA de datos y SCL de reloj

•

Cada dispositivo conectado al bus tiene un código de dirección seleccionable o fijo.

•

El bus permite la conexión de varios maestros ya que cuenta con detector de colisiones

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•

Los datos y direcciones se transmiten en palabras de 8 bits

•

Los bits de datos sobre el bus se transfieren a un velocidad de 100Kbps

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•

La capacidad máxima en el bus es de 400 pF, por lo que el número de dispositivos conectados a el no debe superarla

6.3.3.2 Bus no ocupado Se da esta condición cuando las líneas de datos y reloj permanecen en alto.

6.3.3.3 Inicio de la transferencia de datos La condición de inicio está definida cuando existe un cambio en el estado de la línea de datos, de alto a bajo, mientras el reloj esta en alto.

6.3.3.4 Parada de la transferencia de datos La condición de parada es definida cuando hay un cambio en el estado de la línea de datos, de bajo a alto, mientras que la línea de reloj esta en alto.

6.3.3.5 Dato válido El estado de la línea de datos representa un dato válido cuando, después de la condición de inicio, la línea de datos permanece estable durante el periodo en alto de la señal de reloj. El dato debe ser cambiado durante el periodo en bajo de la señal de reloj. Hay un pulso de reloj por bit o dato.

Figura 6.11 Validación del bit de datos

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Cada dato transferido es inicializado con la condición de inicio y finalizado con la condición de parada. El número de bytes de datos transferidos entre las condiciones de inicio y parada no es limitado y está determinado por el dispositivo maestro.

Dentro de las especificaciones del bus de 2 cables, son definidos, un modo regular (100 KHz) y un modo rápido (400 KHz),

6.3.3.6 Acknowledge Después de la recepción de cada byte, el dispositivo que recibe debe generar un acknowledge. El dispositivo maestro debe generar un pulso extra de reloj asociado con este bit.

6.3.3.7 Formato

Figura 6.12 Formato de transferencia en IIC

Donde: A

reconocimiento

S

inicio

P

parada

R/W

Lectura/escritura

6.3.3.8 Especificaciones eléctricas El bus IIC permite comunicarse a dispositivos fabricados con diferentes tecnologías y diferentes voltajes de alimentación ya que tiene salidas a colector abierto. Para conexiones con niveles de entrada fijos y alimentación de 5V se definen los siguientes valores:

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V1L = 1.5 V (máximo voltaje de entrada a nivel 0L) V1H = 3 V (mínimo voltaje de entrada a nivel 1L) Para dispositivos que trabajan con un rango variado de voltajes de alimentación se definen los siguientes valores:

V1L = 0.3Vdd (máximo voltaje de entrada a nivel 0L) V1H = 0.7Vdd (mínimo voltaje de entrada a nivel 1L) La corriente de entrada máxima a 0L es de -10uA mientras que para 1L es de 10uA. Los dispositivos con niveles fijos de entrada pueden alimentarse desde diferentes fuentes de alimentación. Las resistencias de pull-up deben conectarse a una fuente de 5V +/- 10%

Figura 6.13 Dispositivos con diferentes niveles de voltaje conectados al bus IIC

7. TRATAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES

Para adquirir señales del medio e ingresarlas a un sistema microprocesado se debe utilizar sensores. Un sensor es un elemento que responde variando sus condiciones físicas ante ciertas condiciones, otros términos utilizados son detector o transductor. Un sensor puede responder de muchas maneras, pero para ser adaptados a un sistema microprocesado, necesita tener una respuesta de tipo eléctrica, como voltaje, corriente o resistencia, entonces es fácil tener un circuito electrónico de 28

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acoplamiento. Los sensores son utilizados para monitorear y detectar medidas como temperatura, luz, velocidad, humedad, etc.

La selección adecuada de un sensor dependerá de algunos factores como:

•

Que propiedad se desea medir (temperatura)

•

Que rango de entradas se necesita medir (20 -120 grados C)

•

Que resolución es necesaria (0.5 grados C)

•

Que rapidez de respuesta se necesita (no es crítico para este caso)

•

Que tipo de salida se necesita (digital, analógica, voltaje, corriente, etc.)

•

Que tipo de fuente se dispone para el sensor (12V o 5V).

7.1 SENSORES ON-OFF

En algunas ocasiones se necesita detectar la presencia o ausencia de cierta propiedad por lo que es suficiente con un sensor que actúe como switch. Se deberá hacer el circuito de acondicionamiento de acuerdo con el sensor utilizado garantizando que los niveles de voltaje definan 0L o 1L de forma clara, para ingresarlos al microcontrolador, aunque lo más recomendable es utilizar un latch para retener la información mientras el microcontrolador lee la información.

7.2 SENSORES ANALÓGICOS

Los sensores on-off tienen solo dos estados (1L o 0L) esto facilita su acoplamiento a un circuito digital. Sin embargo muchas veces se necesita llevar registros continuos de la señal, donde se tendrá por ejemplo variaciones de voltaje de 0-10 voltios. En este caso la señal analógica debe ser digitalizada, con este propósito se utiliza conversores análogo / digitales (A/D).

Para realizar una adecuada conversión A/D se debe tomar en cuenta:

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•

Rango del voltaje de entrada (0V-5V, 0V-10V, +/-5V)

•

Resolución (7 bits, 8 bits, 9 bits, etc.)

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•

Tiempo de conversión (en función del tiempo de muestreo)

Ejemplo: Si en un rango de 0 a 35 grados se desea tener una medida mínima de 0.1 grados, se puede obtener el número de valores diferentes: #T = 35/0.1 = 350, por lo que la resolución del conversor debería ser de 9 bits (512 valores)

7.3 TÉCNICAS DE CONVERSIÓN A/D 7.3.1 RAMPA SIMPLE

Figura 7.1 Técnica de conversión A/D rampa simple, diagrama circuital y de tiempo

Para realizar la conversión se siguen los siguientes pasos:

•

Cerrar el S, de esta manera el Vc = 0V

•

Abrir el S y arrancar un timer interno del uC, es decir arrancar la conversión, con lo cual Vc sube de manera lineal.

•

Esperar a que el Vin y el Vc se igualen, esperando que la salida del comparador cambie de estado, en cuyo caso se debe detener el timer obteniéndose Tc.

Utilizando la expresión de corriente del condensador se tiene:

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ic = C

Vc = I

dV , ya que ic es constante se tiene: dt

∆t C

⎯⎯→ Vc (t =Tc ) = Vin =

I Tc C

7.3.2 RAMPA DOBLE

Figura 7.2 Técnica de conversión A/D rampa doble, diagrama circuital y de tiempo

Si S1 ON:

I=

Vin C∆V C∆V , de donde: = = R Tc ∆t

R * C * ∆V = Vin * Tc

Si S2 ON:

I=

Vref C∆V C∆V , de donde: R * C * ∆V = Vref * Td = = R Td ∆t

Vin = Vref

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Td Tc

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7.4 TÉCNICAS DE CONVERSIÓN D/A 7.4.1 SUMADOR INVERSOR

Figura 7.3 Técnica de conversión D/A

Debido a que el voltaje en los puertos no siempre es estable es necesario intercalar comparadores y luego acondicionar la señal para conseguir el voltaje adecuado a la salida. Por ejemplo si se desea que el voltaje máximo a la salida sea 5V en un puerto de 8 bits se tendría: 1L= 5/255 = 20mV El voltaje de salida viene dado por la siguiente expresión:

-Vo(t) = VPx.0(1)+VPx.1(2)+VPx.3(4)+ ….+VPx.7(128)

En los puertos se debe colocar las resistencias adecuadas para que den la ganancia mostrada en la expresión anterior. Tabla 7.1 Valor de resistencias

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Puerto

Resistencia

Px.7

R/128

Px.6

R/64

Px.5

R/32

Px.4

R/16

Px.3

R/8

Px.2

R/4

Px.1

R/2

Px.0

R

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7.4.2 PWM En esta técnica se debe generar una señal PWM por uno de los pines del uC y luego dicha señal filtrarla para obtener el valor DC de la misma. Se utiliza normalmente un filtro pasa bajos, que puede ser activo o pasivo.

Si se esta trabajando con microcontroladores que tengan internamente los conversores A/D y D/A es recomendable utilizar esos dispositivos, si no se dispone de conversor D/A se recomienda utilizar la técnica de conversión D/A tipo PWM

7.5 COMPARADOR ANALÓGICO, ATMEGA16 [9] El comparador analógico compara los voltajes que ingresan por el pin positivo AIN0 y el pin negativo AIN1. Cuando el voltaje de la entrada positiva es mayor que el voltaje de la entrada negativa, la salida del comparador analógico, ACO se pone 1L. La salida del comparador analógico puede disparar al Timer1 en el modo de captura, o activar la bandera propia del comparador.

Figura 7.4 Diagrama de bloques del comparador analógico, tomado de [9]

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Los registros que se utilizan con el comparador analógico son los siguientes:

7.5.1 Special Function IO Register, SFIOR

Figura 7.5 Registro Special Function IO Register, SFIOR

De este registro el bit de interés es el 3, llamado Analog Comparator Multiplexer Enable (ACME), cuando este bit esta en 1L y el conversor A/D esta apagado (ADEN=0 en ADCSRA), el multiplexer del conversor A/D controla el acceso a la entrada negativa del comparador. Si ACME=0L AIN1 se conecta a la entrada negativa del comparador.

7.5.2 Analog comparator control and status register, ACSR

Figura 7.6 Analog comparator control and status register, ACSR

•

Bit 7 – ACD: Analog Comparator Disable, cuando este bit se pone en alto, el comparador analógico se apaga.

•

Bit 6 – ACBG: Analog Comparator Bandgap Select, cuando este bit esta en alto el voltaje de referencia interno se conecta a la entrada positiva, si esta en cero la entrada AIN0 se conecta a la entrada positiva del comparador

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•

Bit 5 – ACO: Analog Comparator Output, la salida del comparador analógico esta sincronizada directamente con este bit. La sincronización introduce un retardo de 1-2 ciclos de reloj

•

Bit 4 – ACI: Analog Comparator Interrupt Flag, este bit es la bandera del comparador analógico

•

Bit 3 – ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable, permite habilitar la interrupción del comparador analógico

•

Bit 2 – ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable, cuando este bit se pone en alto se habilita el disparo del timer1 en modo captura a través del comparador analógico

•

Bits 1, 0 – ACIS1, ACIS0: Analog Comparator Interrupt Mode Select, estos bits permiten seleccionar la fuente de interrupción del comparador analógico.

Tabla 7.1 Modos interrupción del comparador analógico, tomado de [9]

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Tabla 7.2 Multiplexer del comparador analógico, Registro ADMUX

7.5.3 Voltaje de referencia interno Este voltaje es utilizado por el detector de bajo voltaje y puede ser utilizado como referencia para el comparador analógico o el conversor A/D. El voltaje de 2.56V es generado internamente por el Bandgap referente.

8. TÉCNICAS DE CONTROL 8.1 CONTROL ON-OFF Es la regulación más simple y económica, se utiliza en aplicaciones que puedan admitir una oscilación continua entre dos límites, pero sería necesario que la evolución del proceso sea lento. Muchos reguladores incorporan esta regulación básica y en ocasiones se combinan con otro tipo de controladores utilizándolos cuando el error es grande y cambiando de forma automática a otro controlador cuando el error se aproxima a cero.

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Figura 8.1 Control ON-OFF

Para evitar un número excesivo de conmutaciones se incluye un laso de histéresis. La histéresis es como una oposición a experimentar cualquier cambio, cosa que normalmente sería un efecto perjudicial para ciertas aplicaciones por lo que se debe escoger adecuadamente las aplicaciones en las cuales este controlador funcionaria adecuadamente. Su respuesta es de tipo todo o nada, de forma que se conecta cuando la variable regulada ha descendido hasta un valor por debajo de la variable de consigna y solo se desconecta cuando dicha variable supera el límite superior de la variable de consigna.

8.2 CONTROL DIFUSO Otro tipo de control que esta ganada terreno en lo últimos años es el control por lógica difusa. Se trata de un control que se basa en la experiencia adquirida para actuar como la haría una persona, es decir en base a reglas empíricas. Es un control que se puede utilizar en procesos no lineales que son difíciles de modelar. El problema que tiene radica en que el programador no tenga la suficiente experiencia, es decir no conozca a la perfección como evoluciona la variable a 37

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regular. Para este caso se puede programar el control con lógica difusa con la ayuda de una red neuronal, que es un sistema complejo de aprendizaje, es decir, la red neuronal aprendería del sistema lo suficiente como para informar al control difuso cuales son las reglas a usar en cada momento para obtener un buen control.

8.3 SISTEMAS SCADA Son la solución más utilizada para resolver problemas de supervisión de una planta, incluyendo las intervenciones que sean necesarias en caso de incidencias que deban ser resueltas por los usuarios. Los programas de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA), están sustituyendo a los paneles antiguos de supervisión por las ventajas que tienen con respecto a ellos como son el uso de imágenes en la pantalla de un ordenador que puede diseñar el propio usuario y es de relativamente fácil reconfiguración. Estos sistemas además pueden realizar otras funciones como:

•

Gestión de señales de alarma y ejecución de acciones consecuentes, que pueden ir desde un simple aviso hasta la modificación del proceso o su parada automática.

•

Control de la planta por manipulación de los parámetros que utilizan los controladores digitales subordinados que normalmente se encuentran en una red de comunicación.

•

Recopilar información histórica del proceso

•

Presentar pantallas de ayuda a los usuarios

•

Funciones de seguridad

8.4 SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (SDC) Son un conjunto de controladores y un computador central enlazados por un canal de comunicación muy rápido.

Estos sistemas de control utilizan un

controlador para cada uno de los lazos de regulación y han sustituido un basto sistema de comunicaciones por un único canal muy rápido. Las ventajas de este tipo de sistema son:

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•

Desarrollo de sistemas a base de módulos (en hardware y software) que facilitan los cambios, el aislamiento y localización de averías.

•

Gran cantidad de controladores seleccionables por menús

•

Redundancia de equipos

•

Gran capacidad de comunicaciones, gracias a la constante desarrollo de este campo

•

Fácil mantenimiento

8. 5 CONTROLADOR Proporcional, integral, derivativo (PID) Es el algoritmo de control más utilizado a pesar de que existen muchos métodos que pueden dar un control de mayor calidad en ciertas situaciones donde el PID no responde la perfección. En la mayoría de los casos el PID da buenos resultados y tal vez es por esta razón que es muy utilizado a pesar de existir otros reguladores teóricamente mejores.

Sea cual sea la técnica de control, el error de regulación es la base a partir de la cual actúa el PID, por lo que mientras más precisa sea la medida mejor se puede controlar la variable en cuestión. Por esta razón es muy importante, utilizar los sensores adecuados, la forma de transmitir los datos y tomar en cuenta las fuentes de interferencia desde la concepción del diseño.

Un regulador PID toma en cuenta el error, la derivada del error y la integral del error. La acción de control se calcula multiplicando los tres valores por una constante (Kp, Ki y Kd) y sumando los resultados. Las constantes Kp, Ki y Kd definen el comportamiento del sistema.

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Figura 8.2 Diagrama de bloques control PID

La acción proporcional hace que el regulador responda rápidamente cuando el error es grande, pero a pesar de esto esta acción no es suficiente ya que:

•

Muchas veces la variable aumenta o disminuye si no existe una acción que la mantenga. Cuando la variable se acerca al punto de consigna la acción proporcional disminuye y no vence la tendencia de la misma, haciendo que alcance un reposo antes de lo previsto manteniendo el error constante.

•

Aunque la acción proporcional disminuye rápidamente el error, no se debe usar esta hasta conseguir un error muy pequeño ya que la variable regulada se acercaría muy rápido al punto de consigna por lo que se pasaría de ella.

La acción integral responde al error cuando este se anula, gracias al error que existió en le tiempo pasado algo así como una memoria histórica que tenga en cuenta la evolución del error.

La acción derivativa contrarresta la inercia del proceso, frenándolo cuando evoluciona demasiado rápido y acelerándolo en caso contrario, es decir es la visión del futuro que se anticipa a lo podría ocurrir.

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Frecuentemente, la acción derivativa no es usada. Muchos controladores industriales sólo tienen la acción PI y que en otros, la acción derivativa se pone en off. Se puede mostrar que un control PI es adecuado para procesos donde la dinámica del sistema es esencialmente de primer orden (control de nivel de un solo tanque, tanques de mezclado, reactores perfectamente agitados, etc) [11].

Un caso típico de la acción derivativa, introducida para mejorar la respuesta, es cuando la dinámica del proceso está caracterizada por constantes de tiempo que difieren en magnitud. La acción derivativa puede dar buenos resultados para aumentar la velocidad de respuesta. El control de temperatura es un caso típico. La acción derivativa es también beneficiosa cuando se requiere un control más fino para un sistema de alto orden. La dinámica de alto orden limitaría la cantidad de ganancia proporcional para un buen control. Con la acción derivativa, se mejora el amortiguamiento ya que se puede utilizar una ganancia proporcional más alta y elevar la velocidad de la respuesta transitoria [11].

8.5.1 ALGORITMO DE CONTROL PID DIGITAL

U [n ] = U [n −1] + E [n ]

2 KpTm + 2 Kd + KiTm 2 Kd KiTm 2 − 2 KpTm − 4 Kd + E [n −1] + E [n − 2 ] 2Tm 2Tm Tm

Donde: U

señal de control

E

error = setp - realimentación

Kp

constante proporcional

Ki

constante integral

Kd

constante derivativa

Si se desea utilizar una versión simplificada del algoritmo de control PID se puede utilizar la siguiente expresión:

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U = Kp(error) + Ki(errori) + Kd(errord)

Donde: errori = sumatorio del error errord = error anterior – error actual

Con esta expresión hay que tener cuidado ya que la parte integral podría desbordarse por lo que es recomendable utilizarla cuando el error es pequeño, es decir partir de un control PD hasta conseguir disminuir el error y luego activar la acción integral.

8.6 MODULACIÓN SENOIDAL DE ANCHO DE PULSO

Figura 8.3 Modulación senoidal de ancho de pulso

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8.7 CARACTERISTICAS DEL CONTROL DIGITAL

Como características básicas del control digital se tienen:

•

No existe límite de complejidad del algoritmo, cosa que era común en los sistemas analógicos

•

Facilidad de ajuste y cambio. Ya que un cambio en control analógico implica en el mejor de los casos un cambio de componentes ya que en ocasiones se necesita cambiar todo el controlador

•

Exactitud y estabilidad en el cálculo ya que no existen muchas fuentes de error.

•

Uso del controlador con otros fines (alarmas, almacenamiento de datos, administración etc.)

•

Costo vs número de lasos.

•

Tendencia al control distribuido o jerárquico

Figura 8.4 Lazo típico del control digital

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9. CIRCUITOS AUXILIARES 9.1 FUENTES La fuente que alimenta a un sistema microprocesado debe tener las protecciones adecuadas para evitar que la interferencia pueda afectar al microcontrolador.

Figura 9.1 Diagrama de bloques de una fuente de alimentación

El filtro además de atenuar los efectos indeseables del ruido y la interferencia, al tener capacitares almacena voltaje, el cual da al microcontrolador un tiempo de autonomía adicional después que se pierde la energía primaria.

Figura 9.2 Etapa de filtrado

Para regular el voltaje se puede utilizar el LM7805, el cual soporta un voltaje de entrada mínimo 7V y máximo 25V. En la Figura 9.3 se observa la distribución de pines del regulador, donde E es la entrada de la fuente de alimentación, T tierra y S la salida regulada. El rango de temperatura esta entre 0 °C y 125 °C , para una corriente de salida de 1A, por lo que es aconsejable colocar un disipador de calor para evitar que este se queme [12]. El índice de error en la tensión de salida es de +/- 0,25 V,

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por lo que el regulador LM7805 podrá tener un voltaje de salida entre 4,75 V y 5,25 V, rango que es aceptable para el funcionamiento de un sistema microprocesado.

Figura 9.3 Regulador LM7805

Figura 9.4 Fuente regulada

9.2 TIPOS DE RESET El reset tiene la función de llevar al PC a la posición 0H de memoria de programa. En algunos microcontroladores existen varios eventos que pueden hacer que el microcontrolador genere un pulso de reset, entre ellas se encuentran:

•

POR, genera un pulso de reset al alimentar al microcontrolador

•

BOR, genera un pulso de reset si el voltaje de alimentación es menor al mínimo voltaje recomendado por el fabricante

•

WDT reset, es un contador interno que genera un pulso de reset cuando se desborda, por lo que debe ser constantemente reiniciado

•

PWT, genera un pulso de reset durante un tiempo de aprox. 75ms después de alimentar al microcontrolador

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•

Reset manual, genera un pulso de reset cada vez que el usuario del sistema presione el pulsador

En el Atmega16, para determinar la fuente del reset se tiene el registro MCU control and status:

Figura 9.6 Registro MCUCSR

•

Bit 4 – JTRF: JTAG Reset Flag, este bit se pone en alto cuando se genera un reset por el Puerto JTAG, se recupera cuando se genera un POR o escribiendo 0L en el flag

•

Bit 3 – WDRF: Watchdog Reset Flag, este bit se pone en alto cuando se genera un reset por WDT, se recupera cuando se genera un POR o escribiendo 0L en el flag

•

Bit 2 – BORF: Brown-out Reset Flag, este bit se pone en alto cuando se genera un reset por BOR, se recupera cuando se genera un POR o escribiendo 0L en el flag

•

Bit 1 – EXTRF: External Reset Flag, este bit se pone en alto cuando se genera un reset externo, se recupera cuando se genera un POR o escribiendo 0L en el flag

•

Bit 0 – PORF: Power-on Reset Flag, este bit se pone en alto cuando se genera un reset por POR, se recupera únicamente escribiendo 0L en el flag

Todo sistema microprocesado debe tener POR y WDT reset, los otros tipos de reset se deben seleccionar de acuerdo a las necesidades de la aplicación. En microcontroladores que no tienen internamente estos tipos de reset, estos se deben implementar de manera externa.

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Figura 9.5 Circuito de reset manual y POR

El WDT reset se implementa utilizando un circuito monoestable redisparable.

Figura 9.6 Monoestable redisparable

9.3 RESPALDO DE ALIMENTACION Para garantizar la autonomía de un sistema microprocesado en algunas aplicaciones es necesario que este tenga un sistema de alimentación de respaldo, la misma que debería ser conectada cuando la alimentación primaria se ha perdido.

Para que el microcontrolador sepa cuando se perdió la

alimentación primaria es necesario monitorear la fuente de alimentación primaria sea esta de alterna o de continua.

Cuando la fuente de alimentación primaria es de alterna se suele utilizar un circuito monitor de red que esta constituido por un detector de cruce por cero a nivel de hardware y un programa en el microcontrolador que verifica que los

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pulsos del cruce por cero lleguen a intervalos de tiempo preestablecidos en función de la red de alimentación.

Si la fuente primaria es de continua se debe revisar el nivel de voltaje de la misma,

lo

más

común

es

utilizar

un

comparador

de

voltaje,

que

permanentemente revise que el voltaje de la fuente no baje de un nivel mínimo.

Si los pulsos del cruce por cero no llegan de acuerdo a lo establecido o el nivel de voltaje de la fuente es menor que un nivel mínimo, el microcontrolador debe realizar la conmutación a fuente auxiliar y monitorear dicha fuente. Si el nivel de voltaje de la fuente auxiliar baja del nivel mínimo, el microcontrolador debe ejecutar las rutinas necesarias para respaldo de datos en memoria no volátil.

Figura 9.7 Fuente con respaldo y detector de cruce por cero

Figura 9.8 Pulsos del detector de cruce por cero

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Figura 9.9 Circuito de conmutación de fuente controlado desde el micro

En la Figura 9.7 se puede ver un circuito de conmutación de fuente en la que el microcontrolador no interviene, en este caso es útil el monitor de red para que el microcontrolador sepa que esta trabajando con batería auxiliar.

En la Figura 9.9 se puede ver el circuito de conmutación de fuente, donde el microcontrolador es el que realiza la conmutación en función de la información obtenida por el monitor de red.

9.4 RESPALDO DE DATOS

Cuando un sistema microprocesado tiene datos que son importantes para el desarrollo del mismo, estos deberían ser almacenados en un tipo de memoria no volátil en el momento en que se pierde la alimentación primaria y auxiliar.

Dentro de las memorias no volátiles se tienen: NVRAM, EEPROM y FLASH a las cuales un microcontrolador puede acceder con facilidad. Estas memorias podrían estar incluidas en el mismo empaquetado del microcontrolador o ser externas a el. Si están incluidas se accede a ellas por medio de subrutinas especializadas que proporciona el fabricante o utilizando instrucciones de un lenguaje de alto nivel.

Si son externas la mejor alternativa es el uso de

memorias seriales ya sea SPI o IIC.

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10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Maxim Integreted Products, ICM7211/7212,” USA, 1993

“Four

digit

display

Decoders/drivers,

[2] Densitron, “Dot matrix LCD character modules,” Septiembre 1998 [3] Optrex Corporation, “LCD Module Specification DMC20481NY-LY-ABE,” 1999 [4] National Semiconductors, “MM54C922 / MM74C922 16-Key Encoder MM54C923 / MM74C923 20-Key Encoder,” Julio 1993

[5] Dallas semiconductor, “Selecting and Using RS-232, RS-422, and RS-485 Serial Data Standards,” Diciembre 2009, http://pdfserv.maximic.com/en/an/AN723.pdf [6] Maxim Integrated Products, “Data sheet, +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers MAX220 – MAX249,” USA 1997 [7] Microchip Technology Inc., “AN976, Using the MSSP module to interface I2C Serial EEPROMs with PIC16 Devices,” 2005. [8] Dallas Semiconductor, “DS1307/DS1308 64 x 8 Serial Real Time Clock,” 2001. [9] Atmel corporation, “8-bit Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash, Atmega16,” 2007 [10] David Hiriart, “Manual Técnico, Sistema monitor de nubes diurno,” Universidad Autónoma de México, México DF [11] Améstegui M, “Apuntes de control PID,” Universidad Mayor de San Andrés, La Paz – Bolivia, Enero 2001 [12] Fairchild Semiconductor, “MC78XX/LM78XX/MC78XXA 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator”, 2001, www.fairchildsemi.com

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Control Con Micros Soto

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