UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ
“Sistema de Ahorro de Energía”
TESIS PROFESIONAL Para obtener el título de
Técnico Superior Universitario en Mecatrónica Área Automatización PRESENTAN: DIEGO SÁNCHEZ, RUBÉN ALAÍN JÍMENEZ VALENCIA, VÍCTOR JOSÉ MESTIZO, JORGE ENRIQUE
DIRECTOR DE TESIS M.C. Alfonso García Sosa.
Cd. Nanchital de Lázaro Cárdenas del Rio, Ver., Marzo de 2015
INTRODUCCIÓN........................................................................................................... CAPITULO 1 GENERALIDADES............................................................................... 1.1.
Planteamiento del problema....................................................................6
1.2.
Justificación del proyecto........................................................................6
1.3.
Objetivo general........................................................................................7
1.4.
Objetivos específicos...............................................................................7
1.5.
Ahorro de energía.....................................................................................7
1.5.1.
Ahorro de energía doméstico.............................................................7
1.5.2.
Calefacción y agua caliente................................................................7
1.5.2.1. Hábitos de la calefacción................................................................8 1.5.2.2. Hábitos del agua caliente................................................................8 1.5.3.
Electrodomésticos...............................................................................8
1.5.3.1. 1.5.4.
Iluminación...........................................................................................9
1.5.4.1. 1.6.
Hábitos con la iluminación........................................................9
Desperdicio de energía eléctrica.............................................................9
1.6.1.
Lámparas............................................................................................10
1.6.1.1. 1.7.
Hábitos con los electrodomésticos..........................................9
Tipos de Lámparas...................................................................10
Sensores..................................................................................................11
1.7.1.
Características de un sensor............................................................11
1.7.2.
Tipos de Sensores.............................................................................12
1.7.2.3.
Diodo led Infrarrojo..........................................................................16
1.7.2.3.1. 1.7.2.4.
Funcionamiento físico..............................................................16
Fototransistor...................................................................................16
1.7.2.5.
Fotorresistencia........................................................................17
1.7.2.5.1. Características......................................................................18
1.8.
Display......................................................................................................18
1.8.1.
Visualizador de segmentos..............................................................19
1.8.2.
Visualizador de matriz.......................................................................19
1.8.3.
Matriz gráfica......................................................................................19
1.8.4.
Visualizador electromecánico..........................................................19
1.8.5.
Visualizador de proyección..............................................................20
1.9.
Controlador Lógico Programable (PLC)...............................................20
1.9.1.
Funciones...........................................................................................21
1.9.2.
Ventajas..............................................................................................21
1.9.4.
Arquitectura........................................................................................22
1.10.
Flip-Flop................................................................................................25
1.10.1. Asíncronos..........................................................................................25 1.10.2. Síncronos...........................................................................................25 1.10.3. Aplicaciones.......................................................................................25 1.10.4. Secuenciación y meta-estabilidad...................................................26 1.11. 1.9.5. 1.10.
GALs.....................................................................................................27 Funcionamiento.................................................................................27 Microcontrolador.................................................................................28
1.10.1. Microcontrolador PIC........................................................................28 1.10.2. Partes de un Microcontrolador.........................................................29 1.10.2.1.
Procesador:...............................................................................29
1.10.2.2.
Memorias de programa............................................................30
1.10.2.3.
Memoria de datos.....................................................................30
1.10.2.4.
Líneas de E/S............................................................................31
1.10.2.5.
Recursos auxiliares..................................................................31
1.10.2.6.
Programación de Microcontroladores...................................31
1.10.2.6.1.
Programación............................................................................32
1.10.3. Características...................................................................................35 1.10.3.1. CAPITULO 2 2.1.
Características del PIC 18F4550.............................................35 DISEÑO YDESARROLLO.....................................................
Prueba y Error.........................................................................................37
CAPITULO 3 RESULTADOS...................................................................................... 3.1.
Etapa de potencia....................................................................................51
3.2.
Contador...................................................................................................52
Anexo 1.......................................................................................................................
INTRODUCCIÓN. En el presente trabajo se describe el proyecto titulado sistema de ahorro de energía, con este controlaremos el encendido y apagado de las luces de un salón de clases por medio de un circuito sumador-restador que se encargará de encender las luces sólo cuando haya personas en el cuarto y cuando no haya nadie en el mismo las luces se apagarán automáticamente. El contenido del trabajo se encuentra organizado en capítulos, los mismos se describen en el siguiente apartado. El Capítulo I se denomina Generalidades, en el que se describen las principales razones por las que el proyecto fue seleccionado para su realización, ventajas y desventajas en su implementación, así como la solución que el proyecto realizará, en el mismo capítulo se explican todas las temáticas y definiciones usadas a lo largo del trabajo, ayudando al lector a comprender la razón de la implementación de ciertos artefactos o técnicas usadas en su elaboración. El Capítulo II se llama Diseño y Desarrollo, es aquí donde se describe paso a paso la elaboración del proyecto físico, las imágenes de su evolución hasta el resultado final, logrando llevar al lector en el proceso de elaboración y la solución de las problemáticas encontradas. Finalmente, el Capítulo III es denominado Resultados, aquí se encuentran enlistados los resultados obtenidos, acomodados en prácticas graficas que ayudan a estudiar de forma detenida la eficacia del proyecto.
CAPITULO GENERALIDADES
1
1.1.
Planteamiento del problema.
Muchas veces cuando estamos ocupando la luz dentro de un salón de clases al salir todos de dicho salón, es normal que se nos olvide apagar las luces y estas por lo general se mantienen así por un largo periodo de tiempo hasta que alguien más lo nota y las apaga, es por eso que para acabar con este problema hemos decidido implementar este proyecto en nuestra escuela para ahorrar energía eléctrica. 1.2.
Justificación del proyecto.
Este prototipo ahorrador de energía, tiene un gran impacto social y económico, ya que lo que busca es fomentar el ahorro de energía; lo que ayuda a crear conciencia en la sociedad así como reducir gastos por desperdiciar la luz. Este proyecto beneficia al público en general, ya que no existen impedimentos para poder adquirirlo aunque los costos quizás no sean completamente accesibles debido a que además de adquirir el proyecto este debe instalarse en el lugar donde se va a ocupar. 1.3.
Objetivo general.
Diseño, desarrollo e implementación de un sistema de ahorro de energía eléctrica de alta eficiencia. 1.4. 1.5.
Objetivos específicos. Recabar información suficiente para planear el desarrollo del proyecto. Diseño y pruebas del proyecto. Implementación del proyecto. Ahorro de energía.
La eficiencia energética es una práctica empleada durante el consumo de energía que tiene como objeto procurar bajar el uso de energía. Los individuos y las organizaciones que son consumidores directos de la energía pueden desear ahorrar energía para reducir costes energéticos y promover sostenibilidad económica, política y ambiental. Los usuarios industriales y comerciales pueden desear aumentar eficacia y maximizar así su beneficio. Entre las preocupaciones actuales está el ahorro de energía y el efecto medioambiental de la generación de energía eléctrica. También se denomina ahorro de energía. 1.5.1. Ahorro de energía doméstico.
La operación diaria habitual que se hace en la vivienda puede conllevar a un ahorro considerable de energía si se cambian las actitudes y se es consciente del consumo real y del necesitado. En la mayoría de los casos basta con la elección de un electrodoméstico de bajo consumo, o de una racionalización del consumo de la calefacción, a continuación se presentan los artefactos que tienen más consumo eléctrico en las casas.
1.5.2. Calefacción y agua caliente
La calefacción puede ser objeto de ahorro de energía principalmente con hábitos de consumo tales como un uso racional del mismo, el consumo total de una vivienda suele ser del 46% del total del consumo (pudiendo alcanzar el 60% si se incluye el agua caliente). El ahorro de energía puede producirse bien por la correcta elección de una caldera eficiente, o por el correcto aislamiento térmico de las habitaciones.
Respecto del agua caliente puede emplearse también como ayuda la energía solar térmica, mediante uso de sistemas de almacenamiento de energía que retengan el calor para que el agua caliente esté disponible la mayor parte de tiempo posible. 1.5.2.1. Hábitos de la calefacción
Se debe tener presente que una temperatura para un hogar está entre los 19º y los 21º centígrados por el día, y 15º a 17º por la noche, cada grado aumenta el consumo en un 7%. Con estas consideraciones se aconseja:
Adecuar el vestido en el domicilio con las condiciones de temperatura, se pueden emplear edredones, mantas y prendas similares.
No tapar u obstruir los radiadores ya que su función es la de emitir calor, y esta se ve entorpecida con la colocación de muebles.
Vigilar el aislamiento de las habitaciones, impidiendo fugas de calor o entradas de aire frío procedente de ventanas abiertas.
1.5.2.2. Hábitos del agua caliente
El empleo del agua caliente se realiza en la vivienda bajo ciertas ocasiones muy específicas como puede ser la ducha, o el baño, limpiando los platos y la cubertería, etc. En todos ellos se aconseja:
Emplear agua caliente sólo cuando se necesite, al lavar no siempre se necesita.
1.5.3. Electrodomésticos Los electrodomésticos tienen una gran parte en el ahorro de energía doméstico, la mayoría de ellos en Europa tienen un etiquetado especial denominado etiqueta energética que viene a mencionar la eficiencia en el consumo y respetuoso con el medio ambiente, no todos los electrodomésticos poseen la etiqueta, solamente aquellos que consumen mucho o que pasan encendidos gran parte de su vida útil y son: frigoríficos y congeladores, lavadoras, lavavajillas, secadoras, fuentes de luz domésticas, horno eléctrico y aire acondicionado.
La normativa europea expresa la eficiencia energética de los electrodomésticos en una escala de 7 clases de eficiencia, y se identifican mediante un código de color y letras que van desde el verde y la letra A, para los equipos con mayor eficiencia, hasta el color rojo y la letra G para los equipos de menor eficiencia. Un electrodoméstico de clase A puede llegar a consumir un 55% menos que el mismo en una clase media, la elección de un electrodoméstico con esta información puede suponer un ahorro económico.
1.5.3.1.
Hábitos con los electrodomésticos
Respecto a los hábitos, por regla general inciden sobre un uso racional y en un correcto mantenimiento de los mismos:
Refrigerador. Mantener bien cerrada la puerta en todo momento y preferir abrir el portalón una vez que innumerables veces.
Lavadora y lavavajillas. Planificar los lavados, de tal forma que cada lavado tenga su máxima carga. La lavadora consume casi igual a plena carga que a media.
1.5.4. Iluminación
La iluminación eléctrica en las viviendas suele suponer entre el 18 % y el 20 % del consumo doméstico, en algunos casos basta con una actitud preventiva adquiriendo por ejemplo bombillas de bajo consumo, poniendo múltiples fuentes de luz de bajo consumo en lugar de uno, aumentando la superficie de las ventanas. 1.5.4.1.
Hábitos con la iluminación
Para ahorrar basta con adquirir hábitos, como por ejemplo:
Apagar luces en estancias donde no se habite.
Emplear una fuente de luz eliminando las fuentes luminosas redundantes
Si se dispone de la opción abrir ventanas y emplear la luz natural en lugar de la artificial
1.6.
Desperdicio de energía eléctrica.
El desperdicio de energía a nadie le es indiferente, nos incluye a ciudadanos, medios de comunicación, empresas y las más importantes entidades, etc. EI mal hábito de dejar los electrodomésticos conectados en los hogares, las máquinas de oficina prendidas, y los generadores actuando 24 horas los 360 días de la semana son importantes fuentes de desperdicio de energía eléctrica. Mucha gente desconoce que buena parte del consumo de energía ocurre en forma de desperdicio, generalmente causado por el calentamiento de los cables de una mala instalación eléctrica o los equipos en stand by.
Los desperdicios más importantes en los hogares son producidos por el mencionado stand-by de los aparatos de TV y video seguidos por los equipos de audio. En las oficinas los aparatos que registran el consumo de stand-by más alto son los equipos de telecomunicación, copiadoras, computadoras e impresoras. Este desperdicio produce gastos innecesarios para el bolsillo del consumidor y además constituye una gran carga para el medio ambiente por la emisión de dióxido de carbono, que es el principal responsable del efecto invernadero. En conclusión el desperdicio de energía se debe al uso irracional de la misma, que es consecuencia de malos hábitos y acciones humanas, necesitamos prestar mucha atención al correcto manejo de equipos eléctricos evitando gastos innecesarios de energía. 1.6.1. Lámparas. Las lámparas, lámpadas o luminarias son aparatos que sirven de soporte y conexión a la red eléctrica a los dispositivos generadores de luz (llamados a su vez lámparas, bombillas o focos). Como esto no basta para que cumplan eficientemente su función, es necesario que cumplan una serie de características ópticas, mecánicas y eléctricas entre otras.
A nivel de óptica, la luminaria es responsable del control y la distribución de la luz emitida por la lámpara. Es importante, pues, que en el diseño de su sistema óptico se cuide la forma y distribución de la luz, el rendimiento del conjunto lámpara-luminaria y el deslumbramiento que pueda provocar en los usuarios.
Otros requisitos que deben cumplir las luminarias es que sean de fácil instalación y mantenimiento. Para ello, los materiales empleados en su construcción han de ser los adecuados para resistir el ambiente en que deba trabajar la luminaria y mantener la temperatura de la lámpara dentro de los límites de funcionamiento. Todo esto sin perder de vista aspectos no menos importantes como la economía o la estética. 1.6.1.1.
Tipos de Lámparas.
Por su forma, se pueden distinguir:
lámparas de pie, las que se apoyan en el suelo. lámparas de mesa, aquellas que se sitúan sobre mesas.
lámparas de techo, las que se cuelgan de lo alto.
Las lámparas actuales van conectadas a la red eléctrica y constan de las siguientes partes:
pie o báculo, y brazo, los elementos sustentantes; pantalla o tulipa, de material traslúcido que difumina la luz y protege la vista de la iluminación intensa; bombilla, que en número variable proporcionan la iluminación.
1.7.
Sensores.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (cómo en una RTD), una capacidad eléctrica (cómo en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (cómo en un termopar), una corriente eléctrica (cómo en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Cómo por ejemplo, el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
1.7.1. Características de un sensor.
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (por ejemplo, un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos.
1.7.2. Tipos de Sensores.
En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos. Magnitud Posición angular
lineal
Desplazamiento deformación
Velocidad angular
lineal
o
y
y
Aceleración Fuerza y (deformación) Presión
par
Caudal Temperatura
Sensores presencia
de
Sensores táctiles Visión artificial
Transductor Potenciómetro Encoder Sensor Hall Transformador diferencial variación lineal Galga extensiométrica Magnetoestrictivos Magnetorresistivos LVDT Dinamo tacométrica Encoder Detector inductivo Servo-inclinómetros RVDT Giróscopo Acelerómetro Servo-accelerómetros Galga extensiométrica Triaxiales Membranas Piezoeléctricos Manómetros Digitales Turbina Magnético Termopar RTD Termistor NTC Termistor PTC [Bimetal - Termostato ]] Inductivos Capacitivos Ópticos Matriz de contactos Piel artificial Cámaras de video Cámaras CCD o CMOS
Sensor de proximidad
Sensor final de carrera Sensor capacitivo Sensor inductivo
Característica Analógica Digital Digital de Analógica Analógica A/D Analógica Analógica Analógica Digital Digital A/D Analógica Analógico Analógico A/D Analógica Analógica Digital Analógica Analógica Analógica Analógica Analógica Analógica I/0 I/0 I/0 I/0 y Analógica I/0 Analógica Procesamiento digital Procesamiento digital Analógica Analógica
Sensor fotoeléctrico Sensor acústico micrófono (presión sonora) Sensores de acidez IsFET Sensor de luz fotodiodo Fotorresistencia Fototransistor Célula fotoeléctrica Sensores captura de Sensores inerciales movimiento
Analógica Analógica
Analógica Analógica Analógica Analógica
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).
1.7.2.1. Sensor de proximidad: El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.
1.7.2.1.1. Sensor capacitivo: La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia.
1.7.2.1.2. Sensor inductivo: Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos.
1.7.2.1.3. Sensor fin de carrera: El final de carrera o sensor de contacto son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora.
1.7.2.2.
Sensor infrarrojo:
El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. La señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez esto es muy utilizado en la robótica.
Los sensores infrarrojos pueden ser: 1.7.2.2.1. Foto‐interruptores de barrera: Están formados por un emisor de infrarrojos y un fototransistor separados por una abertura donde se insertará un elemento mecánico que producirá un corte del haz. La salida será 0 o 1. 1.7.2.2.2. Foto‐ interruptores reflectivos: Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo plano de superficie, que por reflexión permiten detectar dos tipos de colores, blanco y negro normalmente, sobre un elemento mecánico. 1.7.2.2.3. Encoders ópticos: Con los foto‐interruptores y los reflectivos se pueden montar los encoders ópticos, formados por un disco que tiene dibujados segmentos para ser detectados por los sensores. Existen dos tipos de encoders: Encoders Incrementales: permiten que un sensor óptico detecte el número de segmentos que dispone el disco y otro sensor detecte la posición cero de dicho disco. Encoders Absolutos: permiten conocer la posición exacta en cada momento sin tener que dar una vuelta entera para detectar el punto cero del disco. 1.7.2.3.
Diodo led Infrarrojo.
Un diodo emisor de luz, también conocido como LED(acrónimo del inglés de lightemitting diode) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de
electroluminiscencia. El color, depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz ultravioleta también reciben el nombre de UV LED (ultraviolet light-emitting diode) y los que emiten luz infrarroja se llaman IRED (infrared emitting diode). 1.7.2.3.1. Funcionamiento físico. El funcionamiento físico consiste en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía perdida cuando pasa un electrón de la banda de conducción a la de valencia se manifieste como un fotón desprendido o como otra forma de energía (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable. Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa o "direct bandgap" con la energía correspondiente a su banda prohibida (véase semiconductor). Esto no quiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de banda prohibida indirecta o "indirect bandgap") no se produzcan emisiones en forma de fotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en los semiconductores de banda prohibida directa (como el Nitruro de Galio) que en los semiconductores de banda prohibida indirecta (como el Silicio).
1.7.2.4.
Fototransistor.
La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos los diodos y sólo es visible en diodos como los LED de luz visible, que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible. En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiación ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiación visible, mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban la radiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.
La idea para esta nota surgió mientras experimentaba con un fototransistor a partir de un requerimiento para un proyecto. La luz infrarroja se utiliza en electrónica para muchas aplicaciones, incluso para la transmisión de señales. Un ejemplo cotidiano es el control remoto de los televisores o acondicionadores de aire. El control posee un LED que emite luz infrarroja (invisible al ojo humano), y el dispositivo controlado recibe la señal, la decodifica y reacciona al comando. La captación de la luz está a cargo de un fototransistor, un componente que permite la conducción de una corriente entre colector y emisor, en presencia de luz. Se comporta en forma análoga a un transistor tradicional pero en lugar de conducir proporcionalmente a una corriente de base, lo hace proporcional a la luz recibida en la misma. Aunque existen distintos encapsulados, el más común a simple vista puede confundirse con un LED. En el caso de los infrarrojos es distintivo el color oscuro del plástico que sirve como filtro contra la luz de longitudes de onda superiores al espectro deseado. Su uso más simple consiste en conectarlo en serie con una resistencia, y el conjunto a una fuente de alimentación continua, de forma que cuando ingrese un rayo de luz infrarroja a la base, el transistor comience a conducir. Provocando una Figura 3.1 caída de tensión sobre la resistencia proporcional a la luz en la entrada. Al mismo tiempo la resistencia limita la corriente para evitar la destrucción del transistor. Para un cálculo generoso y rápido, podemos despreciar la caída de tensión entre colector y emisor, y calcular la corriente máxima dividiendo la tensión de alimentación por la resistencia. En el circuito presentado aquí, la corriente máxima teórica es de 5mA, aunque en la práctica será menor aun cuando la base esté saturada de luz y el transistor en el máximo posible de conducción.
1.7.2.5.
Fotorresistencia.
Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent
resistor. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.
El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios).
1.7.2.5.1. Características.
Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un foto-resistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante. Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide en la célula. Cuanta más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).
La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.
Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio,
alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.
También se fabrican fotoconductores de Ge:Cu que funcionan dentro de la gama más baja "radiación infrarroja".
1.8.
Display.
Se llama visualizador, display en inglés, a un dispositivo de ciertos aparatos electrónicos que permite mostrar información al usuario de manera visual. Un visualizador de una señal de video se lo llama más comúnmente pantalla; los dos ejemplos más comunes son el televisor y el Monitor de computadora. Un visualizador es un tipo de dispositivo de salida.
Los primeros visualizadores, similares a los de los ascensores, se construían con lámparas que iluminaban las leyendas. Un ejemplo son los ascensores, que para cada piso existía una luz detrás de una silueta con forma de número.
A partir de la aparición de calculadoras, cajas registradoras e instrumentos de medida electrónicos que muestran distintas informaciones, ya se puede hablar con propiedad de visualizadores. Un tubo Nixie es semejante a una lámpara de neón pero con varios ánodos que tienen la forma de los símbolos que se quiere representar. Otro avance fue la invención del visualizador de 7 segmentos. 1.8.1. Visualizador de segmentos.
En un visualizador de 7 segmentos se representan los dígitos 0 a 9 iluminando los segmentos adecuados. También suelen contener el punto o la coma decimal. A veces se representan también algunos caracteres como la "E" (Error), "b" o "L" (Low Battery), etc., pero para representar los caracteres alfabéticos se introdujo el visualizador de 14 segmentos. El visualizador de 14
segmentos tuvo éxito reducido y sólo existe de forma marginal debido a la competencia de la matriz de 5x7 puntos. Los visualizadores de segmentos se fabrican en diversas tecnologías: Incandescencia, de cátodo frío, LED, cristal líquido, fluorescente, etc.
1.8.2. Visualizador de matriz.
La matriz de 5x7 permite representar letras mayúsculas y minúsculas, signos de puntuación y caracteres especiales con un grado de legibilidad excelente. No es nueva y ya en los años 1940 se podía ver mostrando leyendas publicitarias. Estaban fabricadas con lámparas de incandescencia. Actualmente se fabrican con LED y LCD.
A las matrices de 5x7 siguen las líneas de caracteres, principalmente LCD y VFD, presentándose en múltiples formatos, de una a cuatro líneas de ocho a cuarenta caracteres.
1.8.3. Matriz gráfica.
Consiste en una matriz más grande, que puede representar tanto caracteres como gráficos. Se fabrican en LCD y VFD. Las matrices de LED están constituidas por un mosaico de visualizadores más pequeños (8x8, normalmente). Pueden ser multicolores (Rojo-Naranja-Verde o Rojo-Verde-Azul), encontrando su utilidad en vallas publicitarias, campos de fútbol, etc.
1.8.4. Visualizador electromecánico.
Los problemas de los primeros visualizadores para su uso a la intemperie: falta de luminosidad y fragilidad condujeron al desarrollo de otros tipos de visualizador, en los que se mueve mecánicamente alguna pieza que oculta o muestra un símbolo o leyenda. Pertenecen a este tipo los visualizadores "de cortinilla", que constan de un motor paso a paso que va pasando las "hojas" que contienen distintas leyendas hasta llegar al mensaje deseado. Gozó de gran
popularidad en aeropuertos, estaciones de tren y autobuses, etc. Pero la dificultad para cambiar los mensajes significó su fin cuando se pudo disponer de alternativas en otras tecnologías. Otro visualizador mecánico, que se ve como 7 segmentos y como matriz consiste en segmentos o puntos fluorescentes sobre láminas que pueden girar para ponerse perpendiculares mediante la acción de un electroimán. Presenta la ventaja de que son visibles a plena luz solar y sólo consumen en el cambio de estado.
1.8.5. Visualizador de proyección.
Consisten en una matriz de lámparas, de las que se ilumina sólo una cada vez. La luz se dirige a un condensador que la proyecta sobre una película que contiene los símbolos que se quiere representar. Después otro grupo de lentes enfoca la imagen sobre una pantalla translúcida, que se hacen visibles en su cara posterior. Como norma general el número de imágenes está limitado a doce y no se pueden cambiar, salvo que se desmonte la unidad y se cambie la película.
1.9.
Controlador Lógico Programable (PLC).
Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés: PLC (Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos
electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas.
Los PLC’s son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real duro donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producirá el resultado deseado.
1.9.1. Funciones. La función básica y primordial del PLC ha evolucionado con los años para incluir el control del relé secuencial, control de movimiento, control de procesos, Sistemas de Control Distribuido y comunicación por red. Las capacidades de manipulación, almacenamiento, potencia de procesamiento y de comunicación de algunos PLCs modernos son aproximadamente equivalentes a las computadoras de escritorio. Un enlace-PLC programado combinado con hardware de E/S remoto, permite utilizar un ordenador de sobremesa de uso general para suplantar algunos PLC en algunas aplicaciones. En cuanto a la viabilidad de estos controladores de ordenadores de sobremesa basados en lógica, es importante tener en cuenta que no se han aceptado generalmente en la industria pesada debido a que los ordenadores de sobremesa ejecutan sistemas operativos menos estables que los PLCs, y porque el hardware del ordenador de escritorio está típicamente no diseñado a los mismos niveles de tolerancia a la temperatura, humedad, vibraciones, y la longevidad como los procesadores utilizados en los PLC. Además de las limitaciones de hardware de lógica basada en escritorio; sistemas operativos tales como Windows no se prestan a la ejecución de la lógica determinista, con el resultado de que la lógica no siempre puede responder a los cambios en el estado de la lógica o de los estado de entrada con la consistencia extrema en el tiempo como se espera de los PLCs. Sin embargo, este tipo de aplicaciones de escritorio lógicos encuentran uso en situaciones menos críticas, como la automatización de laboratorio y su uso en instalaciones pequeñas en las que la aplicación es menos exigente y crítica, ya que por lo general son mucho menos costosos que los PLCs.
1.9.2. Ventajas. Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, o PLC’s, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos cualificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento. 1.9.3.
Control más preciso. Mayor rapidez de respuesta. Flexibilidad Control de procesos Seguridad en el proceso. Mejor monitoreo del funcionamiento. Menor mantenimiento. Detección rápida de averías Posibilidad de modificaciones sin elevar costos. Menor costo de instalación, operación y mantenimiento. Posibilidad de gobernar varios actuadores con el mismo autómata. Desventajas La gran desventaja de un PLC es que antes de automatizar una tarea en la industria, es necesario tener en cuenta todos los detalles de lo que se debe
hacer para que nada salga mal. La tarea o el proceso depende totalmente y enteramente del código de la programación. Esta no puede estar mal. Por ello, el programador debe
ser muy bueno. El costo inicial de lo que implica automatizar una tarea con un PLC es muy
elevado. Ésta es una clara desventaja. Mano de obra especializada. Centraliza el proceso. Condiciones ambientales apropiadas. Mayor costo para controlar tareas muy pequeñas o sencillas.
1.10. Flip-Flop.
Un biestable (flip-flop o LATCH en inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en:
1.10.1. Asíncronos. Sólo tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS. 1.10.2.
Síncronos.
Además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas. La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D.
Los biestables síncronos activos por flanco (flip-flop) se crearon para eliminar las deficiencias de los latches (biestables asíncronos o sincronizados por nivel).
1.10.3.
Aplicaciones.
Un biestable puede usarse para almacenar un bit. La información contenida en muchos biestables puede representar el estado de un secuenciador, el valor de un contador, un carácter ASCII en la memoria de un ordenador, o cualquier otra clase de información.
Un uso corriente es el diseño de máquinas de estado finitas electrónicas. Los biestables almacenan el estado previo de la máquina que se usa para calcular el siguiente.
El T es útil para contar. Una señal repetitiva en la entrada de reloj hace que el biestable cambie de estado por cada transición alto-bajo si su entrada T está a nivel 1. La salida de un biestable puede conectarse a la entrada de reloj de la siguiente y así sucesivamente. La salida final del conjunto considerado como una cadena de salidas de todos los biestables es el conteo en código binario del número de ciclos en la primera entrada de reloj hasta un máximo de 2 n-1, donde n es el número de biestables usados.
Uno de los problemas con esta configuración de contador (ripplecounter en inglés) es que la salida es momentáneamente inválida mientras los cambios se propagan por la cadena justo después de un flanco de reloj. Hay dos soluciones a este problema. La primera es muestrear la salida sólo cuando se sabe que esta es válida. La segunda, más compleja y ampliamente usada, es utilizar un tipo diferente de contador síncrono, que tiene una lógica más compleja para asegurar que todas las salidas cambian en el mismo momento predeterminado, aunque el precio a pagar es la reducción de la frecuencia máxima a la que puede funcionar.
Una cadena de biestables T como la descrita anteriormente también sirve para la división de la frecuencia de entrada entre 2 n, donde n es el número de biestables entre la entrada y la última salida.
1.10.4.
Secuenciación y meta-estabilidad.
Los biestables síncronos son propensos a sufrir un problema denominado meta-estabilidad, que ocurre cuando una entrada de datos o de control está cambiando en el momento en el que llega un flanco de reloj. El resultado es que la salida puede comportarse de forma imprevista, tardando muchas veces más de lo normal en estabilizarse al estado correcto, o incluso podría oscilar repetidas veces hasta terminar en su estado estable. En un ordenador esto puede suponer la corrupción de datos o causar un fallo de programa.
En muchos casos, la meta-estabilidad en los biestables se puede evitar asegurándose de que los datos y las entradas de control se mantienen constantes durante un periodo de tiempo especificado antes y después del flanco de reloj, denominados setup time (tsu) y hold time (th) respectivamente. Esos tiempos están establecidos en la hoja de datos del dispositivo en cuestión, y son típicamente entre unos pocos nanosegundos y unos pocos cientos de picosegundos para dispositivos modernos.
Desafortunadamente, no siempre es posible cumplir estos requisitos, porque los biestables pueden estar conectados a entradas en tiempo real que son asíncronas, y pueden cambiar en cualquier momento fuera del control del diseñador. En este caso, lo único que puede hacerse es reducir la probabilidad de error a un determinado nivel, dependiendo de la fiabilidad que se desee del circuito. Una técnica para reducir la incidencia es conectar dos o más biestables en cadena, de forma que la salida de una se conecta a la entrada de la siguiente, y con todos los dispositivos compartiendo la misma señal de reloj. De esta forma la probabilidad de un suceso meta-estable puede reducirse considerablemente, pero nunca podrá eliminarse por completo.
Existen biestables robustos frente a la meta-estabilidad, que funcionan reduciendo los tiempos de setup y hold en todo lo posible, pero incluso estos no pueden eliminar por completo el problema. Esto es debido a que la metaestabilidad es mucho más que un problema de diseño. Cuando el flanco de reloj y la entrada de datos están suficientemente juntos, el biestable tiene que elegir el evento que ocurrió antes. Y por más rápido que se haga el dispositivo, siempre existe la posibilidad de que sucedan lo suficientemente juntos como para que no se pueda detectar cual es el que ocurrió primero. Así pues, es lógicamente imposible el construir un biestable a prueba de metaestabilidad. Otro parámetro temporal importante de un biestable es el retardo reloj-asalida (clock-to-outputtCO) o retardo de propagación (propagationdelaytP), que es el tiempo que el biestable tarda en cambiar su salida tras un flanco de reloj. El tiempo para una transición alto-a-bajo (tPHL) es a veces diferente del de las transiciones de bajo-a-alto (tPLH).
Cuando se conectan biestables en cadena, es importante asegurar que el tCO del primero es mayor que el hold time (tH) del siguiente, ya que en caso contrario, el segundo biestable no recibirá los datos de forma fiable. La relación
entre tCO y tH está garantizada normalmente si ambos biestables son del mismo tipo.
1.11. GALs.
Una innovación del PAL fue la matriz lógica genérica (Genericarraylogic) o GAL. Ambas fueron desarrolladas por Lattice Semiconductor en 1985. Este dispositivo tiene las mismas propiedades lógicas que el PAL, pero puede ser borrado y reprogramado. La GAL es muy útil en la fase de prototipado de un diseño, cuando un fallo en la lógica puede ser corregido por reprogramación. Las GALs se programan y reprograman utilizando un programador OPAL, o utilizando la técnica de programación circuital en chips secundarios.
Un dispositivo similar llamado PEEL (programable electrically erasable logic o lógica programable eléctricamente borrable) fue introducido por la International CMOS.
1.10.1.
Funcionamiento.
Una GAL permite implementar cualquier expresión en suma de productos con un número de variables definidas. El proceso de programación consiste en activar o desactivar cada celda E2CMOS con el objetivo de aplicar la combinación adecuada de variables a cada compuerta AND y obtener la suma de productos. Las celdas E2CMOS activadas conectan las variables deseadas o sus complementos con las apropiadas entradas de las puertas AND. Las celdas E2CMOS están desactivadas cuando una variable o su complemento no se utilizan en un determinado producto. La salida final de la puerta OR es una suma de productos. Cada fila está conectada a la entrada de una puerta AND, y cada columna a una variable de entrada o a su complemento. Mediante la programación se activa o desactiva cada celda E2CMOS, y se puede aplicar cualquier combinación de variables de entrada, o sus complementos, a una puerta AND para generar cualquier operación producto que se desee.
Las celdas se pueden borrar y reprogramar eléctricamente. Una celda E2CMOS típica puede mantener el estado en que se ha programado durante 20 años o más. Las macroceldas lógicas de salida (OLMCs) están formadas por circuitos lógicos que se pueden programar como lógica combinacional o como lógica secuencial. Las OLMCs proporcionan mucha más flexibilidad que la lógica de salida fija de una PAL.
1.11. Microcontrolador. Un Microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura (arquitectura) de un microcomputador, o sea CPU, RAM, ROM y circuitos de entrada y salida. Los resultados de tipo práctico, que pueden lograrse a partir de estos elementos, son sorprendentes.
1.11.1.
Microcontrolador PIC.
Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instrument.
El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es PIC micro, aunque generalmente se utiliza como PeripheralInterface Controller (controlador de interfaz periférico).
El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva CPU de 16 bits CP16000. Siendo en general una buena CPU, ésta tenía malas prestaciones de entrada y salida, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la CPU. El PIC utilizaba micro código simple almacenado en ROM para realizar estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del oscilador.
En 1985 la división de microelectrónica de General Instrument se separa como compañía independiente que es incorporada como filial (el 14 de diciembre de 1987 cambia el nombre a Microchip Technology y en 1989 es adquirida por un grupo de inversores) y el nuevo propietario canceló casi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayoría estaban obsoletos. El PIC, sin embargo, se mejoró con EPROM para conseguir un controlador de canal programable. Hoy en día multitud de PICs vienen con varios periféricos incluidos (módulos de comunicación serie, UARTs, núcleos de control de motores, etc.) y con memoria de programa desde 512 a 32.000 palabras (una palabra corresponde a una instrucción en lenguaje ensamblador, y puede ser de 12, 14, 16 ó 32 bits, dependiendo de la familia específica de PICmicro).
1.11.2.
Partes de un Microcontrolador.
1.11.2.1. Procesador:
Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones. Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann. Esta última se caracterizaba porque la CPU se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses. El procesador de los modernos Micro controladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción. 1.11.2.2. Memorias de programa El Microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como éste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes: ROM con máscara: se graba mediante el uso de máscaras. Sólo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste.
EPROM: se graba eléctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseño, aunque su coste unitario es elevado.
OTP: su proceso de grabación es similar al anterior, pero éstas no pueden borrarse. Su bajo coste las hace idóneas para productos finales.
EEPROM: también se graba eléctricamente, pero su borrado es mucho más sencillo, ya que también es eléctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de escritura y su consumo es elevado.
FLASH: se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones. De esta forma Microchip comercializa dos Microcontroladores prácticamente iguales que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash.
1.11.2.3. Memoria de datos
Los datos que manejas los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil. Hay Microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa. 1.11.2.4. Líneas de E/S
A excepción de cuatro pines destinadas a recibir la alimentación, otras dos para el cristal de cuarzo, que regula la frecuencia de trabajo, y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un Microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla. Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertas. Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjuntos de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos. 1.11.2.5. Recursos auxiliares
Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de Microcontrolador, incorpora una diversidad de complementos que refuerzan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursos más comunes se citan los siguientes: Circuito de reloj: se encarga de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. - Temporizadores, orientados a controlar tiempos.
Perro Guardián o WatchDog: se emplea para provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado.
Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas.
Sistema de protección ante fallos de alimentación
Estados de reposos, gracias a los cuales el sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo.
1.11.3.
Programación de Microcontroladores
La utilización de los lenguajes más cercanos a la máquina (de bajo nivel) representan un considerable ahorro de código en la confección de los programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. Los programas bien realizados en lenguaje Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rápida. Los lenguajes de alto nivel más empleados con Microcontroladores son el C y el BASIC de los que existen varias empresas que comercializan versiones de compiladores e intérpretes para diversas familias de Microcontroladores. En el caso de los PIC es muy competitivo e interesante el compilador de C PCM de la empresa CCS y el PBASIC de microLab Engineering, ambos comercializados en España por Mircosystems Engineering.
1.11.3.1. Programación.
Para transferir el código de un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llamado programador. La mayoría de PICs que Microchip distribuye hoy en día incorporan ICSP (In Circuit Serial Programming, programación serie incorporada) o LVP (LowVoltageProgramming, programación a bajo voltaje), lo que permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Para la ICSP se usan los pines RB6 y RB7 (En algunos modelos pueden usarse otros pines como el GP0 y GP1 o el RA0 y RA1) como reloj y datos y el MCLR para activar el modo programación aplicando un voltaje de 13 voltios. Existen muchos programadores de PICs, desde los más simples que dejan al software los detalles de comunicaciones, a los más complejos, que pueden verificar el dispositivo a diversas tensiones de alimentación e implementan en hardware casi todas las funcionalidades. Muchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos PICs pre-programados como interfaz para enviar las órdenes al PIC que se desea programar. Uno de los programadores más simples es el TE20, que utiliza la línea TX del puerto RS232 como alimentación y las líneas DTR y CTS para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador está en modo programación. El software de programación puede ser el ICprog, muy común entre
la gente que utiliza este tipo de microcontroladores. Entornos de programación basados en intérpretes BASIC ponen al alcance de cualquier proyecto que parecieran ser ambiciosos.
1.11.3.1.1.
Tipos de lenguaje de programación.
1.11.3.1.1.1. Pascal. Es un lenguaje relativamente moderno, desarrollado por Niklaus Wirth y su grupo de Zurich en 1971. Se trata de un lenguaje de propósito general, esto quiere decir que se puede emplear para construir todo tipo de aplicaciones. En la práctica también quiere decir que se trata de un lenguaje no diseñado para desarrollar ningún tipo específico de aplicaciones. Pero el PASCAL es especialmente útil para algo: para la enseñanza de buenos modos de programación. El PASCAL es hoy en día el lenguaje más usado para la enseñanza de la programación por varios motivos: • • •
Posee unas reglas sencillas de sintaxis. Es un lenguaje muy estructurado. Realiza una comprobación exhaustiva de tipos de datos.
El hecho de que tenga una estructuración muy marcada permite que los programas sean fáciles de leer e interpretar, y facilita la escritura de programas del modo que hoy en día se estima correcto. El compilador de PASCAL es relativamente sencillo de realizar, por lo que se ha extendido a muchos tipos de plataformas, desde los ordenadores personales a los grandes ordenadores corporativos. Cuando una aplicación se escribe en PASCAL estándar puede compilarse en cualquier maquina en la que exista compilador de PASCAL, que son la mayoría. 1.11.3.1.1.2. Lenguaje C El lenguaje C fue inventado e implementado por primera vez por Dennis Ritchie en un DEC PDP-11 en Bell Laboratories. Es el resultado de un proceso de desarrollo comenzado con un lenguaje anterior denominado B, inventado por Ken Thompson. En los años 70 el lenguaje B llevó al desarrollo del C. En 1978, Brian Kernighan y Dennis Ritchie publicaron el libro The
C Programming Language que ha servido hasta la actualidad como definición eficiente de este lenguaje. Durante muchos años el estándar de C fue la versión proporcionada con la versión cinco del sistema operativo UNIX. En 1983, el instituto de estándares americanos estableció un estándar que definiera el lenguaje C, conocido como ANSI C. Hoy día, todos los principales compiladores de C llevan implementado el estándar ANSI. El lenguaje C se denomina como un lenguaje de nivel medio, puesto que combina elementos de lenguajes de alto nivel (Fortran, Pascal, Basic…) con el funcionalismo del lenguaje ensamblador. C permite la manipulación de bits, bytes y direcciones (los elementos básicos con que funciona la computadora). Otras características del C es que posee muy pocas palabras clave (32, donde 27 fueron definidas en la versión original y cinco añadidas por el comité del ANSI,enum, const ,signed, void y volatile). Todas las palabras clave de C están en minúsculas (C distingue entre las mayúsculas y minúsculas). En la siguiente tabla se muestran las 32 palabras clave:
Los programas en C consisten en una o más funciones. La única función que debe estar absolutamente presente es la denominada main, siendo la primera función que es llamada cuando comienza la ejecución del programa. Aunque main no forma técnicamente parte del lenguaje C, hay que tratarla como si lo fuera, pues si se emplea para nombrar una variable, probablemente confundirá al compilador. La forma general de un programa en C es: Instrucciones del preprocesador Declaraciones globales tipo_ devuelto main (lista de parámetros) { Secuencia de sentencias } tipo_ devuelto función_1 (lista de parámetros) { Secuencia de sentencias } tipo_ devuelto función_2 (lista de parámetros) {
Secuencia de sentencias } ….. ….. tipo_ devuelto función (lista de parámetros) { Secuencia de sentencias }
1.11.3.1.1.3. Lenguaje Java
Java es un lenguaje de programación desarrollado por Sun Microsystems. Java fue presentado en la segunda mitad del año 1995 y desde entonces se ha convertido en un lenguaje de programación muy popular. Java es un lenguaje muy valorado porque los programas Java se pueden ejecutar en diversas plataformas con sistemas operativos como Windows, Mac OS, Linux o Solaris. James Gosling, el director del equipo de trabajo encargado de desarrollar Java, hizo realidad la promesa de un lenguaje independiente de la plataforma. Se buscaba diseñar un lenguaje que permitiera programar una aplicación una sola vez que luego pudiera ejecutarse en distintas máquinas y sistemas operativos. Para conseguir la portabilidad de los programas Java se utiliza un entorno de ejecución para los programas compilados. Este entorno se denomina Java Runtime Environment (JRE). Es gratuito y está disponible para los principales sistemas operativos. Esto asegura que el mismo programa Java pueda ejecutarse en Windows, Mac OS, Linux o Solaris.
“Write Once, Run Anyware”, que podría traducirse como “programar una sola vez y después ejecutar los programas en cualquier sistema operativo”, era el objetivo del equipo de desarrollo de Java. Esta idea resume el concepto de portabilidad. Los programas Java son portables, es decir, independientes de la plataforma, porque pueden ejecutarse en cualquier ordenador o dispositivo móvil, independientemente del sistema operativo que tengan instalado: Un programa Java puede ejecutarse en un ordenador de mesa, un ordenador portátil, una tableta, un teléfono, un reproductor de música o en cualquier otro dispositivo móvil con cualquier sistema operativo.
1.11.4.
Características.
Los PICs actuales vienen con una amplia gama de mejoras hardware incorporados:
Núcleos 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 (típicamente 0 a 5,5 voltios) Temporizadores de 8/16/32 bits Tecnología Nanowatt para modos de control de energía Periféricos serie síncronos y asíncronos: USART, AUSART, EUSART Conversores analógico/digital de 8-10-12 bits Comparadores de tensión Módulos de captura y comparación PWM Controladores LCD Periférico MSSP para comunicaciones I²C, SPI, y I²S Memoria EEPROM interna con duración de hasta un millón de ciclos de lectura/escritura Periféricos de control de motores Soporte de interfaz USB Soporte de controladorEthernet Soporte de controlador CAN Soporte de controlador LIN
1.11.4.1. Características del PIC 18F4550
Microcontrolador con módulo USB especificación 2.0. Soporta Low speed 1.5Mb/s y full speed 12Mb/s. 32 endpoints (16 bidireccionales). 1kB de memoria de doble acceso para el USB Hasta 35 pines I/O disponibles Memoria de programa flash de 32 kB RAM de 2048 Bytes EEPROM de datos de 256 Bytes Velocidad de la CPU 12 MIPS Oscilador externo hasta 48 MHz Oscilador interno seleccionable entre 8 frecuencias desde 31kHz hasta 8MHz
Opciones de oscilador dual permiten que la velocidad de la CPU y del módulo USB sean diferentes ADC de 10 bits y 13 canales Tecnología nano Watt que brinda características y funciones de bajo consumo y ahorro de energía Voltaje de operación 4.2V a 5.5V 2 módulos de captura/comparación/PWM 1 timer de 8 bits y 3 de 16 bits EUSART, SPP, SPI, I²C. 20 fuentes de interrupciones (3 externas) Resistencias de pull-ups en el puerto B programables Función del pin MCLR opcional Brown-out Reset de valor programmable Power-on Reset Power-up Timer y Oscillator Start-up Timer Soporta 100,000 ciclos de borrado/escritura en memoria flash Soporta 1,000,000 ciclos de borrado/escritura en memoria EEPROM Retención de datos mayor a 40 años Protección de código y datos programable Encapsulado DIP de 40 pines
CAPITULO
2
DISEÑO Y DESARROLLO
2.1.
Prueba y Error
Para poder comprobar el funcionamiento de nuestro construyó en protoboard un prototipo, y de ésta manera poder determinar posibles fallas, o cualquier imprevisto en la programación o en los dispositivos.
Figura 2. 1 Prototipo hecho en protoboard
Continuando con nuestras prueba dos dimos cuenta que para llevar acabo nuestro prototipo era necesario hacer una etapa de potencia para completar nuestro proyecto, para hacerlo seguimos el diagrama esquemático 2.2, en la figura 2.1 se puede observar el mismo circuito, pero ahora hecho en baquelita, también, en la figura 2.2 se observa el diagrama en 3D. Figura 2.1. Circuito de la etapa de potencia en baquelita.
Diagrama esquemático 2.2. Etapa de potencia hecha en ISIS Proteus.
Figura 2.2. Componentes a utilizar vistos en 3D.
Figura 2.3. Baquelita del circuito de control en proceso de elaboración.
Figura 2.4. Circuito de control terminado.
Figura 2.5. Cajas de aluminio para los sensores infrarrojos.
Figura 2.6. Caja de aluminio para todo el circuito de control.
Figura 2.7. LCD de 20x4 en su resguardo de aluminio.
CAPITULO RESULTADOS
3
3.1.
Etapa de potencia
Para esta parte donde muestran los resultados de nuestro arduo trabajo se muestra la etapa de potencia ya terminada en baquelita, que nos sirve para que con los 5 volts del circuito podamos controlar las luces que son a 110v.
Figura 3. 1. Etapa de potencia físicamente con todos los dispositivos.
3.2.
Contador
Aunque la parte física de éste proyecto es importante, la esencia de éste es la programación del sumador-restador, dicha programación fue realizada en lenguaje C++ en el programa MikroC for PIC, ésta programación de encuentra adjunta en el anexo 1.
Figura 3. 2. Se muestra en un LCD de 20x4 el tiempo en que las luces se apagarán.
Anexo 1. Programación del sumador-restador. //Pines de salida para el LCD sbit LCD_RS at RB5_bit; sbit LCD_EN at RB4_bit; sbit LCD_D7 at RB0_bit; sbit LCD_D6 at RB1_bit; sbit LCD_D5 at RB2_bit; sbit LCD_D4 at RB3_bit; //Bits de configuración TRIS sbit LCD_RS_Direction at TRISB5_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISB4_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISB0_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISB1_bit;
sbit LCD_D5_Direction at TRISB2_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISB3_bit; int cont=0; char im[20]; int cont2=0; void main() { Lcd_Init(); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); delay_ms(100); Lcd_out(1,1, "Bienvenidos... ;)"); TRISD=0x00; while(1) { if (PORTD.F0=1) { Lcd_cmd(_lcd_clear); cont=cont+1; delay_ms(500); } if (portd.f1=1) { cont=cont-1; if (cont<0) { cont=0; } delay_ms(500); }
if (cont>0) { inttostr(cont,im); lcd_out(2,1,"Gente:"); lcd_out(2,10,im); PORTD.F4=0; } if (cont==0) { lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 10 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 9 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 8 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 7 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 6 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 5 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 4 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 3 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en minutos...");
delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 1 minuto..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Las luces se apagarán en 0 minutos..."); delay_ms(1000); lcd_cmd(_lcd_clear); lcd_out(1,1, "Luces apagadas :)"); portd.f4=0; delay_ms(10000); } } }