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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
CONTROL CON MICROPROCESADORES
2015- A
Ing. Jhon Pilataxi
Ing. Jhon PilataxiCONTROL CON MICROSGR1- 2015A
EPN
OBJETIVOS
• Diseñar algoritmos de control basados en microcontroladores, que permitan resolver problemas prácticos .
• Construir sistemas de control, integrando hardware y
software, que brinden una alternativa de solución a problemas prácticos.
• Fortalecer el espíritu de investigación, razonamiento y compañerismo.
SISTEMAS DE COMUNICACIÓN
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INTRODUCCIÓN
• Los microcontroladores son el elemento central de varios sistemas como:– Sistemas de alarmas.– Sistemas de regulación (caudal, nivel, iluminación,
velocidad).– Sistemas Robóticos (manipuladores).– Domótica.– Sistemas de conteo.– Etc.
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SISTEMAS DE COMUNICACIÓN
• Comunicación con otros dispositivos:– Paralelo: rápida, mas sensible al ruido, distancias cortas.
– Serial.• Síncrona (señal de reloj) o Asíncrona• Balanceada (RS232) o Desbalanceada (RS485)• Simplex, Half Duplex, Full Duplex
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COMUNICACIÓN SERIAL ASINCRONICA
• uC AVR presenta interfaz USART• Establecer protocolo de comunicación:
– # bits de inicio– # bits de datos– Paridad– # de bits de parada– Velocidad (Baud Rate) configurar a la del dispositivo más
lento.
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INTERFAZ RS232
• Ideada 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).
Parámetros Condiciones Min Max Units
Driver Output Voltage Open Circuit
25 V
Driver Output Voltage Loaded
3k < RL < 7 k ±5 ±15 V
Driver Output Resistance Power Off
-2V<V°<2V 300
Slew Rate 4 30 V/µS
Maximum Load Capacitance
2500 pF
Receiver Input Resistance
3 7 k
Receiver Input Threshold:
V
Output = Mark -3
Output = Space 3
+/-15 V con lógica invertida.1L desde -3V a -15 V0L desde +3 V a +15 Vmas empleada +/-12V.
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RS232, Conectores, distribución de pines
Señal Descripción
DTR(+12V)
Línea por la cual computador indica al modem que está activo para comunicarse
DSR Línea por la cual el modem indica al computador que es listo para comunicarse
RTS (-12V) Solicitud de envío
CTS Listo para enviar.
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Acoplamiento RS232/TTL
– CI• MAX232 o MAX233
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Acoplamiento RS232/TTL
• CI
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Acoplamiento RS232/TTL
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INTERFAZ RS485• Presenta impedancia características de 120 Ω:
– 10 Mbit/s a 12 metros– 100 kbit/s en 1200 metros.
• En este interfaz se puede colocar varios transmisores y receptores (hasta 32 trabjando entre300 y 19 200 bit/s), en una configuración maestro esclavo (half duplex).
• Trabaja con +/- 5V con lógica invertida: 0L = +5V; 1L = -5V
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RS485, CaracterísticasParameter Conditions Min Max Units
Driver Output Voltage Open Circuit
1.5
-1.5 6
-6 VV
Driver Output Voltage Loaded
RL= 100 1.5-1.5
5-5
VV
Driver Output Short Circuit Current
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
Receiver Sensitivity
-7V <VCM< 12 V ±200 mV
-7 12 V
Receiver Input Resistance
12 k
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Protocolo de comunicación
Donde:SOH Cabecera, inicio de comunicaciónADR DirecciónLEN LongitudMENSAJE Comando y parámetrosCRC Chequeo de errores
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Otras interfaces de comunicación
• USB / UART BLUETOOTH ZegBee
• Módulos Ethernet, otros módulos de RF. • (Ejercicio)
CIRCUITOS AUXILIARES
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Circuitos Auxiliares
• Funcionamiento optimo del sistema:– Fuentes– Reset– Respaldo de fuente– Respaldo de datos
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FUENTE
• Protección EMI y brindar autonomía
Evitar extensos lazos de corriente.
Tener referencia a tierra
Cables adecuados (comunicación)
VI1 VO 3
GN
D2
U17805
C10.33uF C2
0.1uF
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RESET (Tipos)• ¿Que es reset?
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POR : Power on reset
• Al energizar el uC, estabilizar crystal
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Reset externo (manual)
• Pulso en pin RESET
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BOR: Brown Out Detection Reset
• Permite monitorear la alimentación, habilitación mediante fusibles.
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WDT-R: Watch Dog Timer Restet
• Al desbordarse contador interno (WDT), reset 1 CM, evito lazos inf; osc. de 128 kHz.
• Configurar Registro WDT CSR y activar fusible WDTON
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IDENTIFICACIÓN DEL TIPO DE RESET
• Atmega164P, registro MCUSR- MCU Status Register.
• PORTF: 1L con POR, se baja al escribir 0L.• EXTRF: 1L con reset manual, se baja con 0L o generando POR.• BORF: 1L con BOR, se baja con 0L, o con POR• WFRF: “”• JTRF: “”
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RESPALDO DE ALIMENTACIÓN• Se debe monitorear la fuente principal, en caso que se pierda deshabilitar
sistema de visualización y guardar datos importantes. Se debe guardar energía.
• FUENTE PRINCIPAL DE ALTERNA
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RESPALDO DE ALIMENTACIÓN
• Fuente principal de DC.– Detectar cuando baja de valor.
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RESPALDO DE DATOS.
• Almacenar datos en memoria no volátil.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 (preferible).
EEPROM 100000 CICLOS DE ESCRITURA
Deber (consulta sd)Prepa
Ejercicios (Fusible EESAVE)
APLICACIÓN DE MICROCONTROLADOR EN
MODO EXTENDIDO, MANEJO DE ENTRADAS Y SALIDA
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SELECCIÓN DE uC
• Características de los periféricos: número de pines
• Análisis de I/O• Memoria de programa: menos importante
• Velocidad de procesamiento: según el proyecto
• Arquitectura del uP: 8 bits, 16 bits, 32 bits.
• Tipos de operaciones que se realizarán: punto flotante, 16 bits.
• Consumo de energía, limites de corriente.
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MICROCONTROLADOR EN MODO EXTENDIDO
• uC presenta interfaz para dispositivos I/O.• En caso de exceso de periféricos:
– Cambiar micro– Configuración como uP (usando buses)
• Lanch (perifericos de salida)• Buffer (perifericos de entrada)• Decodificador de direcciones (Mux)
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LATCH (74LS373)
• Manejo periféricos de salida.• 74ls373; 8 entradas 8 salidas (0L, 1L, Z)• Flip Flops tipo D (almacenaje de bits)
E OE D QH L H HH L L LL L X Q0X H X Z H=Alto; L= Bajo X= Cualquier estadoZ= Alta impedanciaQ0= estado anterior
E = CONTROLOE: CONECTAR A GND
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BUFFER (74LS244)
• Acopla dispositivos de entrada• 8 salidas – 8 entradas (dos grupos de 4)
• Decodificador de direcciones (Mux 3/8) 74ls132
G A B
L L L
L H H
H x Z
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Consideraciones Generales
• Deshabilitar Mux• Configurar como salida• Direccionar la salida • Colocar registro interno
“dato”• Habilito el Mux• Retardo• Deshabilito Mux
• Deshabilitar mux• Configurar como entrada• Direccionar dispositivo• Leer entrada• Deshabilitar mux
Escritura Lectura
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Ejercicio (Práctica 1 hoja guía anterior,)
• Realizar el circuito completo y el programa de control en lenguaje ensamblador para: leer 8 SW y ese valor mostrarlo en 8 Leds (binario) o en 3 Displays de 7 Segmentos (decimal), la selección del lugar donde se mostrará el resultado se lo hace con un pulsador, cada vez que este se presiona cambia el destino de la lectura. Todos los periféricos deben estar conectados al Puerto C a través de latch o buffers según el caso, el pulsador debe generar interrupcion.
INICIO:Configuro puertos e interrupción.LAZO:
Leer los pines del puerto C.Guardar los datos “binario”Comparo variable “control=0 ”
Si: Muestro en leds el valor de “binario”. Salto a salirNo: Transformo de binario a bcd. Transformo bcd a 7 segmentos. Muestro en display.Salir:
Regreso a LAZO
Interrupción:Complemento “control “.
Fin Interrupción.
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Deber
• Se desea diseñar un sistema microprocesado que maneje un ascensor de la FIEE.– Dipositivos:
• Pulsadores• Leds• Sensores (presencia, fin de carrera)• Motor• Displays (barrido)
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Ejercicio
• Se desa desarrollar un sistema que permita leer el estado de 8 sw y mostrar en 8 leds, se dispone de un uC Attiny13
• ¿Es posible?
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REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO
• 74LS595– Registro de desplazamiento de 8 bits, con salida tipo latch. – 1 Entrada serial, 8 salidas en paralelo (3 estados)– Dos registros (Shift register y storage register)
Pulso en SH: escritura de nuevo bit
Pulsoen ST: lanch la salida
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REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO• 74ls165
– Registro de desplazamiento serial de 8 bits.– 8 bits entrada paralelo, salida serial.
• D Deber mensaje matriz de leds • (Lcd font maker)
Pulso en SH: lectura de entrada al registro de desplazamiento
Pulso CLK desplazo bit a bit del registro desplazamioento
MANEJO DE PERIFERICOS DE ENTRADA/SALIDA
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Dispositivos E/S
• Señales de control para EFC• On/off• Señales PWM y filtros
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Dispositivos E/S
• OPTOACOPLADORES– AISLAR CONTROL Y POTENCIA
• RELES
• TRANSISTORES (Drives amplificadores de corriente)
• OPTOACOPLADORES– EVITAR SOBREVOLTAJES
• FILTROS – RUIDO
SALIDA ENTRADAS
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Manejo de displays
• Display 7 segmentos– Led (ánodo o cátodo común)– LCD
• Se debería emplear timer para el barrido• Uso de drivers
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LCD alfanumerico
• Permiten mostrar caracteres numéricos, alfabéticos y otros caracteres (esta formado por una matriz de puntos)
• Existe compatibilidad entre los diferentes tipos de LCD (# líneas y # de caracteres)
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Pines LCD
Register Select0 : Registro de comandos (escritura). : Busy flag + puntero de RAM (lectura).1 : Registro de datos (escritura, lectura). Acceso a DDRAM o CGRAM.
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Memorias del LCD• CGROM - Character Generator ROM
– Se encuentran grabados los patrones de todos los caracteres que puede visualizar el LCD de fábrica. Tiene grabados cerca de 200 tipos de caracteres de 5×7 puntos.
• DDRAM - Display Data RAM– Almacena los códigos de las letras que se visualizan en la
pantalla del LCD. Tiene capacidad de 80 bytes, un byte por carácter si la fuente es de 5×7 puntos
• CGRAM - Character Generator RAM– La CGRAM es una RAM de 64 bytes donde el usuario puede
programar los patrones de nuevos caracteres gráficos.
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Set de InstruccionesInstrucciones del Display LCD
InstruccionesCódigo
RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
Instrucciones de comando
Clear Display 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Return Home 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ×
Entry Mode Set 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
Display ON/OFF Control 0 0 0 0 0 0 1 D C B
Cursor or Display Shift 0 0 0 0 0 1 S/C R/L × ×
Function Set 0 0 0 0 1 DL N F × ×
Set CGRAM Address 0 0 0 1 Puntero de RAM (CGRAM)
Set DDRAM Address 0 0 1 Puntero de RAM (DDRAM)
Read Busy Flag& RAM Pointer 0 1 BF Puntero de RAM (DDRAM o CGRAM)
Instrucciones de datos
Write to CGRAM or DDRAM 1 0 Escribir dato
Read from CGRAM or DDRAM 1 1 Leer dato
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Inicialización de LCD• Los LCDs tienen un circuito interno de reset que los inicializan
automáticamente tras la alimentación, sin embargo no es fiable. Por eso existe la inicialización por software, que permite una completa configuración de los parámetros del LCD.
• Además, cada nueva instrucción debe ser enviada al LCD asegurando de que no se encuentre ocupado. El LCD indica su disponibilidad mediante el llamado bit BF (Busy Flag). BF = 1 indica LCD ocupado y BF = 0 es LCD listo. BF es el MSbit del byte que se lee del LCD cuando el pin RS = 0
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Inicialización 4 bits
4 BITS
8 BITS
Decodificación de Teclados
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Teclado• Teclado más simple, formado por pulsadores necesita un pin
por cada tecla, rebotes (eliminarlos por hardware y sofware).
• Se puede emplear decodificación por hardware, en teclados
de mayor numero de teclas.12 nteclasdeNúmero
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Teclado matricial
• Decodificación por sofware (barrido de teclado).• Usando decodificadores. CI 74C922 para 16 teclas y
74C923 para 20 teclas.
MANEJO DE MOTORES
DCPASOS
ACControl de motores de pequeña potencia
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MOTORES DC
• Control de velocidad mediante PWM
• Frecuencia de la pwm acorde a las características del motor.
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CONTROL DE SENTIDO DE GIRO
• Se puede emplear el Puente H
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Drivers control de Motores
• L293D y L298 (control de corriente)
IN12
OUT13
OUT26
OUT311
OUT414
IN27
IN310
IN415
EN11
EN29
VS
8
VSS
16
GND GND
U1
L293D
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Servomotores• Tipo especial de motores DC, presentan capacidad de
colocarse en posición entre 0 y 180º• Presenta caja reductora, para disminuir velocidad y aumentar
torque.• Control de posición de palancas, piezas.
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Control servomotores
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MOTORES PASO A PASO
• Dispositivos electromecánicos que convierten señales eléctrica (serie de pulsos) en desplazamientos angular discretos.
• La resolución esta entre 0,72º y 90º. Presenta un error de paso menor a 5% no acumulable.
• Son ideales para control de posición; debido a su facilidad de control.
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MOTORES PAP BIPOLARES
• Presentan cuatro terminales.
• Requieren del cambio de dirección de flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento (mediante puente H).
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MOTORES PAP BIPOLAR
• Circuito de control.
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MOTORES PAP UNIPOLAR
• Presentan 5 o 6 terminales. El control es mas sencillo.
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CONTROL POR MICROPASOS
• Método capaz de posicionar el motor en posiciones intermedias (menor al ángulo nominal).
• En lugar de controlar que bobina se energiza y con que polaridad, se regula la intensidad de corriente que circula por la misma.
• http://www.orientalmotor.com/technology/articles/stepper-motor-basics.html
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CONTROL POR MICROPASOS
• El torque total inducido al eje se mantiene constante al aplicar diferentes niveles de corriente.
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CONTROL DE MOTORES DE ALTERNA
• Se utiliza inversores (conversores AC/DC), que permitan variar la frecuencia y el voltaje. Se puede emplear el inversor tipo puente.
COMINICACIÓN SERIAL SINCRONICA
USARTSPIIIC
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USART SINCRONICA
• Aparte de emplear Rx, Tx; empleamos la señal de reloj.
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IIC • Start: transición de ALTA a BAJO en SDA; cuando en SCL está en ALTO.• Stop: transición de Bajo a Alto en SDA; mientras SCL está en Alto