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TEMA VIII.- MICROCONTROLADORES (IV).
I.
Introducción
En este tema trataremos un poco mas en profundidad como se deben conectar diversos
dispositivos de entrada así como utilizar las salidas para controlar dispositivos.
II. Entradas
El control de procesos depende de la obtención de información de entrada, su evaluación y la
ejecución de la acción correspondiente. En control industrial, la mayoría de las veces la información
de entrada involucra el monitoreo de dispositivos de campo que admiten dos estados posibles. Un
interruptor es un ejemplo común de dispositivo de dos estados. O está abierto o está cerrado.
Los interruptores pueden controlar una operación de tres formas. Una podría ser si
conectamos directamente una carga al interruptor, como por ejemplo, cuando encendemos
la luz de nuestra habitación, controlando toda la corriente y la tensión de la carga.
Necesitaríamos un interruptor que fuera capaz de aguantar toda la potencia que exige la
lámpara
También podemos conectarlo a la entrada de un relé, como por ejemplo, el termostato es un
interruptor que opera un sistema de baja tensión para controlar un relé de la calefacción o
aire acondicionado., en este caso, el interruptor controla con poca potencia el circuito de
entrada del relé, mientras que la potencia es controlada por el circuito de salida.
Necesitamos un interruptor mas pequeños que en el caso anterior pues el interruptor debe
soportar el consumo de la bobina del relé.
El estado encendido / apagado (on / off) del interruptor también podría proveer una señal
digital a la entrada de un controlador programable con lo que el control de potencia pasa al
controlador programable y el interruptor se utiliza únicamente como orden para realizar un
proceso consiguiendo que el tamaño del interruptor sea mas pequeño.
¿Cuántos interruptores usó hoy? Y, ¿qué procesos afectó con la acción de dichos
interruptores?
Primero podría presionar el botón “SNOOZE” de su reloj despertador. La alarma se apaga
y... ¡5 minutos más para dormir!
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Luego, tropezando al entrar al baño, prende la luz. ¡Ay! Apaga rápidamente la luz porque
lastima la vista.
Ahora, en la cocina, prende la cafetera, presiona la tostadora de pan y programa su
microondas. Abre el refrigerador y la luz se enciende.
El desayuno está listo. Y, ¿quién sabe si la luz del refrigerador realmente se apaga cuando
se cierra la puerta?
Enciende el termostato. Calefacciona o refrigera, según su elección Enciende su TV, cambia
de canal, sube el volumen. Los interruptores del frente del TV tienen la misma función que
los del control remoto que se transmiten por un LED infrarrojo.
Hace una llamada. Levanta el auricular y espera el tono. Presiona los botones del número de
teléfono. El interruptor que el auricular normalmente mantiene presionado ahora se
encuentra en la posición “descolgado”. Cada interruptor del teclado genera una combinación
de tonos específica.
Enciende su PC. Enciende el monitor. Clic con el mouse para revisar su e-mail. Estos son
los tres más obvios. Hay muchos más interruptores detrás de escena en su PC. ¡Ha
presionado más de 15 interruptores y aún no ha dejado su casa!
La mayoría de los interruptores, probablemente proveen una señal digital de estado alto o
bajo, que es monitoreada por un sistema de control electrónico. Es el estado de esta señal
de entrada el que es evaluado para determinar el estado apropiado de las salidas
involucradas. El botón "snooze" del reloj despertador no abre físicamente el circuito de la
alarma. Cuando usted lo presiona, el cambio momentáneo de estado es reconocido por un
circuito programable. Como resultado, el programa le ordena a la salida que se apague y
agregue cinco minutos a la hora programada en la alarma. El botón "start" de su microondas
no conduce en realidad la corriente que alimenta el magnetrón, la luz interior y el ventilador.
Sin embargo, al presionarlo se genera una entrada que hace que el microcontrolador del
horno active los relés que encienden esas cargas.
A menudo pensamos en los interruptores como dispositivos mecánicos que establecen e
interrumpen la continuidad entre dos puntos de un circuito. En el caso de los pulsadores
manuales y los interruptores mecánicos, este es exactamente el caso.
Los símbolos se dibujan para representar el estado “normal” del interruptor. Estado normal
se refiere al estado de reposo o Normalmente Abiertos (N.O. es la sigla en inglés). Al
presionar el botón, se produce un corto circuito entre los contactos. La resistencia va desde
el valor de circuito abierto que es cercano a infinito, a un valor muy cercano a cero.
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Mientras que el concepto de interruptor es muy simple, parece no haber límites para los
diseños físicos que encontrará en aplicaciones de control industrial. Los interruptores
también pueden ser diseñados como Normalmente Cerrados (N.C.); se encuentran cerrados
en reposo y sus contactos se abren cuando son activados. Como técnico, programador, o
diseñador de sistemas, debe estar al tanto de la posición Normal (de reposo) de un
interruptor.
Los dispositivos lógicos se fabrican con diferentes procesos que hacen que operen a
distintas tensiones. La hoja de datos del fabricante muestra los valores críticos para cada
dispositivo.
Los Valores Máximos Absolutos son las tensiones y corrientes que no deben excederse para
evitar dañar o destruir al chip. Los pines de E/S del Microcontrolador no deberían exceder de
0,6 V o Vdd+0,6 V (5,6V) con respecto a Vss. La transición entre el estado lógico alto y bajo
está especificada en las características de corriente continua (DC) de la hoja de datos. Una
tensión de 0,2 Vdd (1 V en el Microcontrolador ) se considera como un cero, y una de 0,45
Vdd (2,25 V) o superior, garantizará un estado alto. Hay un área gris entre estas dos
tensiones donde se producirá la transición. Depende de la temperatura y la tensión de la
fuente la ubicación del punto donde ocurrirá la transición. Normalmente se producirá a 1.4
Volts.
Los pines de entrada del Microcontrolador no detectan “cambios de resistencia” entre los
contactos del interruptor. Estas entradas esperan niveles de tensión apropiados que
representen un estado lógico alto o bajo. Idealmente, estas tensiones deberían ser +5 Volts
para un nivel lógico alto (1) y 0 Volts para un nivel
lógico bajo (0).
Para convertir los dos estados resistivos del
interruptor en entradas aceptables, se debe
colocar en serie con un resistor conectado a la
fuente de tensión de +5 Volts del Microcontrolador.
Esto forma un circuito divisor de tensión en el cual
el estado resistivo del interruptor se compara con
el valor resistivo del resistor de referencia.
Es casi imposible presionar y liberar el botón
suficientemente rápido como para realizar la
acción solamente una vez. El bucle del programa
se ejecuta demasiado rápido. Si usted es lento, el
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programa tiene la oportunidad de ejecutarse varias veces mientras el interruptor se
encuentra presionado. Agregue a esto varios milisegundos de rebote y podría obtener
muchos pulsos cada vez que presione el botón.
Es muy común que las entradas digitales provengan de las salidas de otros circuitos
electrónicos. Estas entradas pueden provenir de una variedad de fuentes electrónicas,
incluyendo detectores de proximidad capacitivos o inductivos, optoacopladores o
interruptores ópticos, circuitos de acondicionamiento de señal de sensores, compuertas
lógicas y salidas de otros microcontroladores, microprocesadores, o sistemas de control
lógico programables.
(a) Las salidas de circuitos TTL y CMOS alimentadas
desde una fuente de +5 Volt pueden ser aplicadas
directamente a los pines de entrada del Microcontrolador.
Si los dos sistemas están alimentados desde los mismos 5
Volts, perfecto. Sino al menos las masas deben ser
comunes (conectadas juntas).
(b) Los dispositivos de baja tensión (+3 V) pueden ser
conectados usando un 74HCT03 u otra compuerta de
colector abierto similar con un resistor de pull-up a la fuente de +5 Volt del Microcontrolador.
Alimente el chip con su fuente de baja tensión y una las masas.
(c) Las señales digitales de alta tensión pueden
conectarse mediante un buffer 74HC4050 o un
inversor 74HC4049 alimentado con +5 Volts.
Estos dispositivos pueden manejar con seguridad
entradas de hasta 15 Volts. Nuevamente, las
masas deben ser comunes.
(d)
Un
a
configuración de amplificador operacional
trabajando como comparador con referencia
puede establecer una salida Alta / baja de
acuerdo a si la entrada analógica está por
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encima o debajo de una tensión de referencia. El LM358 es un amplificador operacional cuya
salida puede ir desde masa hasta cerca de Vdd con una alimentación simple de +5 Volt.
(e) Se puede usar un optoacoplador para conectar diferentes niveles de tensión al
Microcontrolador. El resistor del LED limita la corriente a un nivel seguro, mientras que
permite un nivel de luz suficiente para saturar el fototransistor. El circuito de entrada puede
ser aislado totalmente de la fuente de alimentación del fototransistor del Microcontrolador.
Este aislamiento provee protección efectiva de cada circuito, en el caso que el otro falle.
III. Salidas
Diodo LED. (Diodo emisor de luz)
Light Emitting Diode. (Diodo Emisor de Luz). Es un tipo
especial de diodo semiconductor, que cuando es conectado a
un circuito electrónico con un resistor limitador de corriente,
emite luz visible. Los LED usan muy poca energía y son
ideales para ser conectados a dispositivos tales como el
microcontrolador
Los LEDs son formas especiales de lámparas que por varias
razones
son
fácilmente
conectadas
a
dispositivos
microcontroladores.
Hay dos cosas muy importantes de recordar cuando conecta LEDs al microcontrolador. La
primera es que siempre se debe asegurar que haya una resistencia conectada, como
muestra la figura. El resistor debe tener un valor de 470-680 ohms, ¼ wats. para tensiones
de 5-6V , para otras tensiones se puede calcular el valor aproximado de la resistencia (en
Kilo ohmios) por la fórmula
R≤
V
KΩ donde V es la tensión que se va aplicar al diodo LED.
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Segundo, esté seguro que la polaridad del LED es la correcta. Hay una zona lisa en un
costado del LED que debería ser conectada con el negativo del circuito. Si la polaridad es
invertida, el LED no trabaja. El lado liso también suele tener la pata más corta del LED.
Transistores
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La capacidad de tensión y/o corriente de salida puede ser incrementada agregando un
transistor de salida (Driver). Tanto el transistor bipolar como el transistor MOSFET pueden
ser efectivos cuando las cargas necesitan más potencia de la que las salidas del
microcontrolador pueden entregar. Entender cada uno de estos circuitos será importante en
futuras aplicaciones industriales.
Consideremos el diseño del transistor bipolar para alimentar una lámpara de 12W. Los
valores del circuito deberían calcularse de forma que una salida en estado alto (+5V) del
Microcontrolador lleve a Q1 a la saturación, sin tomar más corriente que la que el
Microcontrolador puede entregar.
Los valores de los componentes de los circuitos surgen de los requerimientos de corriente y
tensión de la carga. El proceso para determinar los valores mínimos de estos componentes
es así:
Dado que Q1 actúa independiente del microcontrolador, la tensión de fuente de la
carga es de 12V y no está limitada a la fuente de +5 Volts del Microcontrolador. Como
se usan fuentes separadas deben unirse las masas. Cuando Q1 se lleva a la
saturación, virtualmente toda la tensión de la fuente caerá sobre la carga y la corriente
será igual a PotCarga/ VFuente (12 / 12 = 1Amp). La máxima capacidad de corriente de
colector de Q1 debe ser mayor que la corriente de la carga. La corriente de base de
Q1 para mantener la corriente de colector puede ser calculada dividiendo la corriente
de carga por el “beta” de Q1. IB = IC/βQ1. Se debe elegir un transistor que cumpla y
preferiblemente exceda estos requerimientos mínimos. Exceder los valores mínimos
por un 50 o 100% o más, sería lo mejor. Una vez elegido el transistor, se puede
determinar el valor del resistor limitador de base. Este valor debe permitir una
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corriente mayor que la definida por IC/bQ1, aunque menor que el límite de 20 mA del
Microcontrolador. La caída de tensión sobre Rlimit es igual a los +5 V de salida del
Microcontrolador menos la caída en la juntura PN de Q1 , por lo que el cálculo de la
resistencia de base queda definida por la fórmula:
R Limit =
5V − 0.7
Ib
Otras características que favorecen la selección del transistor son: que es muy común,
barato, y que puede controlar la corriente sin necesitar disipador.
Este resistor de 1K-Ohm permite una corriente de base de unos 5 mA, suficiente para lograr
la saturación.
El MOSFET se lleva a la saturación
aplicando tensión a la compuerta (gate).
Los 5 Volts positivos provenientes de la
salida
del
microcontrolador
son
suficientes para colocar al MOSFET en
el estado “ON”. Cuando el dispositivo
está
completamente
saturado,
su
resistencia de estado ON (rson) es
normalmente
Aplicando
un
menor
estado
de
1
bajo
Ohm.
en
la
compuerta (0 V) lleva el dispositivo al
corte. En este estado prácticamente no hay circulación de corriente y el MOSFET actúa
como un interruptor abierto. No obstante situamos en serie una resistencia para proteger el
micro en caso de corto circuito en la puerta del MOSFET
El MOSFET de potencia es muy fácil de alimentar con un Microcontrolador. Una capa de
óxido de metal (MOS) entre la fuente (source) y la compuerta (gate) funciona como un muy
buen aislante. La extremadamente alta impedancia de entrada provista por esta capa MOS
implica que no se necesita corriente por la compuerta para controlar este dispositivo. Dado
que no se necesita corriente para gobernar la compuerta, una simple salida de un
Microcontrolador puede controlar múltiples MOSFETs.
Con un disipador adecuado, el BS170 puede manejar corrientes de carga de hasta 5 Amps.
Estas características hacen que los MOSFET de potencia sean muy fáciles de utilizar en
aplicaciones industriales, tales como activación de relés, solenoides y pequeños motores de
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CC. Debería tenerse en cuenta que este
tipo de cargas son inductivas. Cuando se
desconecta
puede
la
producir
carga,
una
su
inductancia
tensión
inversa
transitoria que puede dañar el MOSFET.
Un diodo D1 en antiparalelo provee
protección al transistor cuando controla
cargas inductivas como ésta. Este diodo
no es necesario para el pequeño motor
sin escobillas que usamos en nuestros experimentos
Nota: Los MOSFET de potencia, al igual que sus primos CMOS, son susceptibles a daños
por descargas de tensión estática y transitorios de tensión inversa. Debe tenerse cuidado
cuando se maneja e instala el dispositivo. Tómelo por el encapsulado, evitando tocar sus
patitas y verifique que todos los instrumentos estén conectados apropiadamente a masa.
Es conveniente mostrar otros sistemas de interfaz que pueden serle de utilidad como
diseñador.
(a) El optoacoplador puede ser usado como interfaz para diferentes tensiones, aislando
eléctricamente la salida del microcontrolador.
(b) Puede usarse como interfaz para dispositivos HCMOS o CMOS de la serie 4000. El
74HC4050 puede usarse a bajas tensiones, como interfaz para lógica de +3 Volts.
(c) Hay una gran cantidad de integrados de potencia periféricos. El driver 75452 puede
absorber una corriente de hasta 300 mA. Su salida de colector abierto permite usarlo con
tensiones de hasta 30 Volts.
(d) La compuerta 74LS26 (NAND) que pertenece a la familia de compuertas de colector
abierto. Con el resistor de pull-up de 10KOhm referenciado a la siguiente etapa del circuito,
el Microcontrolador puede ser conectado a circuitos CMOS de mayor tensión.
IV. Control Industrial
El control industrial es uno de los campos donde más se ha desarrollado el uso de
microcontroladores pues ha permitido simplificar todo el sistema de automatización
reduciendo el costo de material de contactores, cableado, etc con la consiguiente reducción
del coste final de la instalación.
Para ver un ejemplo claro de un proceso podemos exponer el siguiente enunciado.
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Disponemos de una bomba de calor (Máquina enfriadora o de calefacción) que deseamos
automatizar para que realice el siguiente proceso:
-
La máquina se pondrá en marcha de forma automática al pulsar sobre un
interruptor Pm que se situará en la entrada 0 del microcontrolador.
-
Disponemos de un sensor análogico de temperatura que nos permite un rango
de medidas de 0 – 40º C. Este sensor tiene una resolución de 8bits y su
tensión de trabajo es de 5V. Este sensor se conecta a la entrada analógica 0
del microcontrolador.
-
Cuando la temperatura sea inferior a los 18ºC se deberá poner en marcha la
máquina como calefactor por lo que se activará la salida 1 del micro.
-
Cuando la temperatura sea superior a los 24ºC se deberá poner en marcha la
máquina como enfriadora por lo que se activará la salida 0 del micro.
-
Cuando la temperatura esté comprendida entre 18º y 24º la máquina quedará
parada.
Empecemos
colocando todas las
piezas necesarias en
nuestro micro.
Hemos situado el
interruptor Pm en la
entrada
cero
y
sensor
el
de
temperatura
analógico en la patilla
correspondiente.
Observar que hemos
utilizado el micro de
28 pins que dispone
de
4
entradas
analógicas.
Para proteger las salidas del micro no atacamos la máquina directamente sino a través de
un acoplamiento a base de transistor MOSFET que a su vez controla un relé que es el que
realmente controla la máquina, una contacto para producir calor y otro para producir frio.
Importante:
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Aclaremos el funcionamiento del acoplamiento Sensor temperatura-Microcontrolador:
Nuestro sensor tiene un rango de 0-40ºC con una resolución de 8bits ( 28 = 255
) y
alimentación de 5V. ¿Qué quiere decir esto? Pues que el sensor es capaz de medir
temperaturas comprendidas entre 0 y 40ºC, que se alimenta a 5 V y que la escala 0-40º C la
divide en 255 partes de forma tal que para cada temperatura el sensor la traduce en un
número de acuerdo a la siguiente relación.
40ºC ________________ 255
1ºC _________________ X, luego X = 255 / 40 = 6.375 partes/ºC
X = 6.375 partes/ºC
¿Qué valor se corresponde con 18ºC? Pues X = 18 x 6.375 = 114.75 que como trabajamos
con enteros se redondea por 114.
¿Qué valor se corresponde con 24ºC? Pues X = 24 x 6.375 = 53 .
Es decir, que cuando el sensor mida una temperatura de 24º C al microcontrolador le llegará
el número 153 y cuando mida 18ºC le hará llegar un 114.
Este es el proceso que podemos aplicar a cualquier tipo de sensor analógico recordando
que los tres parámetros que necesitamos conocer son: Rango o alcance de la medida,
Resolución en nº de bits y tensión de trabajo.
La primera parte de la solución del ejercicio no necesita mucha explicación pues únicamente
debemos detectar si hemos activado el
interruptor de marcha.
Mientras no se pulse el interruptor de entrada,
las salidas se desactivan y se realiza este
bucle hasta que se active el interruptor.
A continuación damos la orden de leer el sensor para ver que temperatura está leyendo.
Para incluir este comando picamos en la barra de herramientas de microcontroladores en el
icono
, arrastramos a la zona de trabajo, lo situamos a continuación en el diagrama de
flujo, picamos sobre él y la ventana que se abre es la siguiente:
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Vemos que con este comando el valor numérico que el sensor nos traduce de acuerdo a lo
comentado anteriormente se almacena en una variable con la que podemos hacer cualquier
operación.
Ahora que ya tenemos el valor del sensor convertido en un variable que el microcontrolador
puede entender, podemos continuar con el proceso que nos pedía que si la temperatura era
inferior a 18ºC (114) pusiera en marcha la calefacción (Salida 1) y si el valor es superior a
24ºC (153) pusiera en marcha el aire acondicionado (Salida 0). Haremos estas dos
preguntas y decidiremos en cada caso la acción correspondiente
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Si la temperatura es inferior a 18ºC (x<114) activamos la salida 1 (Outputs = 2) y
desactivamos las demás. Si no es menor de 18ºC preguntamos si es mayor de 24º (x>153) y
en caso afirmativo activamos la salida 0 para dar frio y desactivamos la salida 1 (en nuestro
caso hemos resuelto esto con los comando switch on y switch off en vez de utilizar outputs
para que reforzar el uso de ambos comandos).
En caso de que no sea mayor de 24 pues entonces es que está entre 18º y 24º por lo que
paramos la máquina (Outputs = 0).
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Al final del esquema hemos colocado el monitor de BASIC para que podamos relacionar las
órdenes en BASIC.
-
Symbol Pm= pin0 Las entradas del microcontrolador internamente se denominan
Pin0, Pin1,…. Pin7 por eso el símbolo Pm lo asocia al Pin0 pues lo hemos conectado
en la entrada 0
-
Symbol x = b0 . Asocia nuestra variable al registro interno b0
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Symbol Output0 = 0 Las salidas del microcontrolador internamente se denominan 0,
1,…. 7 por eso el símbolo Output0 lo asocia a la salida 0
-
Let pins = %00000010 , la orden “let pins” es la equivalente a outputs.
-
Switch on se traduce por la orden “high” (activar )
-
Switch off se traduce por la orden “low” (activar )
-
ReadADC 0, x , es decir , Leer una variable analógica convertirla en decimal y
almacenarla en una variable, esto se corresponde con el comando X = Sensor
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