FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA

MICROPROCESADORES

CONTROL DE VELOCIDAD Y GIRO DE UN MOTOR

DC

AREVALO ORELLANA

BENITES DE LOS SANTOS

CHAVEZ OYANGUREN

JIMENEZ ORIHUELA

MUÑOZ CANALES

GUILLEN CASTILLO

Lima 24 de abril de 2013

RESUMEN

El presente trabajo de investigación trata de resolver el problema de diseño de un

circuito, el cual mediante el uso de un micro-controlador PIC 16F877A controles el

sentido de giro y velocidad de un Motor DC.

PLANTEAMIENTO DE SOLUCION

Se procedió a investigar trabajos afines a la problemática en libros y sitios

WEB, de donde muchos de ellos se podían encontrar ejemplos y modificaciones

del mismo problema, además de diversos lenguajes de programación para la

misma solución, tomando en cuenta que cada uno influye en la programación

del micro ya que este sería uno de los últimos pasos para verificar nuestro

desarrollo.

Siendo las fuentes consultadas se procedió a estudiar y verificar las etapas que

conforman la construcción del circuito las cuales son:

JUSTIFICACION:

OBJETIVOS:

Aplicar lo aprendido en las clases de Microprocesadores, para realizar el control de

velocidad y giro de un motor dc

Entender el funcionamiento de un motor DC tanto su control como requerimientos de

funcionamiento

Hacer uso del lenguaje ensamblador para crear el archivo que será grabado en el

micro-controlador.

Conexión y características del PIC 16F877A

Hacer uso del micro-controlador PIC 16F877A

Estudiar el funcionamiento del puente H y del driver L293D

Funcionamiento y control del LED de 7 segmentos de cátodo común.

MARCO TEORICO

MATERIALES

PIC 1F877A

L293D

LED 7 Segmentos Catodo común

5 pulsadores

3 Bornaras dobles azules

Cristal de 20 Mhz

2 Capacitores cerámicos de 22u

1 Capacitor cerámico de 100n

8x Resistencias de 330 Ohm de ¼

5x Resietencias de 100 Ohm de ¼

5 Resistencias de 10k Ohm de ¼

Sockets para los integrados

Placa de baquelita(placa virgen de cobre)

Motor DC de 3.3v a 1500 rpm de 400mA

Herramientas y otros implementos

Impresora Láser o Fotocopiadora (Se recomienda el primero)

Papel fotográfico Glossy de 80 gr

Protoboard

Cablecillo estañados

Multimétro

Fuente de alimentación

Taladro con broca para metales de (1/32)”

Lija fina

Sponja Verde lavaplatos

Acohol Iso-propílico

Plancha de ropa

Superficie de madera

Soldador

Estaño

Flux

Desarmadores(Philips, perilleros)

Pinzas de sujeción

Costo de los materiales: Aproximadamente 38 Nuevos Soles

Motor DC

El motor de corriente continua es una máquina que

convierte la energía eléctrica continua en mecánica,

provocando un movimiento rotatorio.

La principal característica del motor de corriente

continua es la posibilidad de regular la velocidad desde

vacío a plena carga.

PUENTE H

Un Puente H o Puente en H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico

DC girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente usados en robótica

y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos

integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos.

Estructura de un puente H (marcado en rojo).

Los 2 estados básicos del circuito.

El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del circuito. Un

puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante transistores).

Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados (y S2 y S3

abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido.

Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte,

permitiendo el giro en sentido inverso del motor.

L293D

Uno de los problemas que se presentan cuando se pretende controlar un robot es el

control de los motores, esto se puede solucionar con facilidad con varios chips los,

ULN2003A, L293C, ULN2803A, etc.

El chip L293A es un driver diseñado para proporcionar corriente a mecanismos

impulsores bidireccionales de hasta 1 A. con voltajes entre 4,5 y 36 V. con una

capacidad máxima de disipación de potencia de 5 W.

Cada canal de salida es un circuito controlador completo administrado por un

Darlington capaz de proporcionar hasta 1 A.

Una característica importante, es que la alimentación de los circuitos del chip es

diferente a la alimentación de los canales, lo que da estabilidad al circuito.

Puede funcionar con temperaturas entre 0 y 70 grados y tiene control interno de

temperatura, lo que aconseja en caso de altos consumos un cierto nivel de

refrigeración del circuito.

De los cuatro canales por pares están controlados por una señal añadida de

habilitación, por lo que para controlar un canal de salida se deben enviar dos señales,

una al canal y la otra a la habilitación del par de canales.

Las características del chip por Pines son:

PIN NOMBRE DESCRIPCION

1 1,2 EN Control canales 1 y 2

2 1A Entrada señal canal 1

3 1Y Salida potencia canal 1

4 Tierra

5 Tierra

6 2Y Salida potencia canal 2

7 2A Entrada señal canal 2

8 VCC2 Alimentación de las cargas

9 3,4 EN Control canales 3 y 4

10 3A Entrada señal canal 3

11 3Y Salida potencia canal 3

12 Tierra

13 Tierra

14 4Y Salida potencia canal 4

15 4A Entrada señal canal 4

16 VCC1 Alimentación 5V L293

PIC 16F877A

El PIC16F877 es un microcontrolador con memoria de programa tipo FLASH, lo que representa gran facilidad en el desarrollo de prototipos y en su aprendizaje ya que no se requiere borrarlo con luz ultravioleta como las versiones EPROM, sino que permite reprogramarlo nuevamente sin ser borrado con anterioridad. El PIC16F877 es un microcontrolador de Microchip Technology fabricado en tecnología CMOS, su consumo de potencia es muy bajo y además es completamente estático, esto quiere decir que el reloj puede detenerse y los datos de la memoria no se pierden. El encapsulado más común para este microcontrolador es el DIP (Dual In-line Pin) de 40 pines, propio para usarlo en experimentación. La referencia completa es PIC16F877-04 para el dispositivo que utiliza cristal oscilador de hasta 4 MHz, PIC16F877-20 para el dispositivo que utiliza cristal oscilador de hasta 20 MHz o PIC16F877A-I para el dispositivo tipo industrial que puede trabajar hasta a 20 MHz. Sin embargo, hay otros tipos de encapsulado que se pueden utilizar según el diseño y la aplicación que se quiere realizar. Por ejemplo, el encapsulado tipo surface mount (montaje superficial) tiene un reducido tamaño y bajo costo, que lo hace propio para producciones en serie o para utilizarlo en lugares de espacio muy reducido. Configuración de pines

Los pines de entrada/salida de este microcontrolador están organizados en cinco puertos, el puerto A con 6 líneas, el puerto B con 8 líneas, el puerto C con 8 líneas, el puerto D con 8 líneas y el puerto E con 3 líneas. Cada pin de esos puertos se puede configurar como entrada o como salida independiente programando un par de registros diseñados para tal fin. En ese registro un bit en "0" configura el pin del puerto correspondiente como salida y un bit en "1" lo configura como entrada. Dichos pines del microcontrolador también pueden cumplir otras funciones especiales, siempre y cuando se configuren para ello, según se verá más adelante.

Los pines del puerto A y del puerto E pueden trabajar como entradas para el convertidor Análogo a Digital interno, es decir, allí se podría conectar una señal proveniente de un sensor o de un circuito analógico para que el microcontrolador la convierta en su equivalente digital y pueda realizar algún proceso de control o de

instrumentación digital. El pin RB0/INT se puede configurar por software para que funcione como interrupción externa, para configurarlo se utilizan unos bits de los registros que controlan las interrupciones. El pin RA4/TOCKI del puerto A puede ser configurado como un pin de entrada/salida o como entrada del temporizador/contador. Cuando este pin se programa como entrada digital, funciona como un disparador de Schmitt (Schmitt trigger), puede reconocer señales un poco distorsionadas y llevarlas a niveles lógicos (cero y cinco voltios). Cuando se usa como salida digital se comporta como colector abierto (open collector), por lo tanto, se debe poner una resistencia de pull-up (resistencia externa conectada a un nivel de cinco voltios). Como salida, la lógica es inversa: un "0" escrito al pin del puerto entrega en el pin un "1" lógico. Además, como salida no puede manejar cargas como fuente, sólo en el modo sumidero. El puerto E puede controlar la conexión en modo microprocesador con otros dispositivos utilizando las líneas RD (read), WR (write) y CS (chip select). En este modo el puerto D funciona como un bus de datos de 8 bits (pines PSP). La máxima capacidad de corriente de cada uno de los pines de los puertos en modo sumidero (sink) o en modo fuente (source) es de 25 mA . La máxima capacidad de corriente total de los puertos es: PUERTO A PUERTO B PUERTO C PUERTO D Modo sumidero 150 mA 200 mA 200 mA 200 mA Modo fuente 150 mA 200 mA 200mA 200mA

El consumo de corriente del microcontrolador para su funcionamiento depende del voltaje de operación, la frecuencia y de las cargas que tengan sus pines. Para un oscilador de 4 MHz el consumo es de aproximadamente 2 mA; aunque este se puede reducir a 40 microamperios cuando se está en el modo sleep (en este modo el micro se detiene y disminuye el consumo de potencia). Se sale de ese estado cuando se produce alguna condición especial que veremos más adelante.

DISPLAY DE 7 SEGMENTOS

El display de 7 segmentos o visualizador de 7 segmentos es un componente que se utiliza para la representación de números en muchos dispositivos electrónicos debido en gran medida a su simplicidad. Aunque externamente su forma difiere considerablemente de un diodo LED (diodos emisores de luz) típico, internamente están constituidos por una serie de diodos LED con unas determinadas conexiones internas, estratégicamente ubicados de tal forma que forme un número 8.

A cada uno de los segmentos que forman el display se les denomina a, b, c, d, e, f y g y están ensamblados de forma que se permita activar cada segmento por separado consiguiendo formar cualquier dígito numérico.

Muchas veces aparece un octavo segmento denominado p.d. (punto decimal).

Los diodos led trabajan a baja tensión y con pequeña potencia, por tanto, podrán excitarse directamente con puertas lógicas. Normalmente se utiliza un codificador (en nuestro caso decimal/BCD) que activando un solo pins de la entrada del codificador, activa las salidas correspondientes mostrando el número deseado. Recordar también que existen display alfanuméricos de 16 segmentos e incluso de una matriz de 7*5 (35 bits).

Los hay de dos tipos: ánodo común y cátodo común.

En los de tipo de ánodo común, todos los ánodos de los ledes o segmentos están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a potencial positivo (nivel “1”). El encendido de cada segmento individual se realiza aplicando potencial negativo (nivel “0”) por la patilla correspondiente a través de una resistencia que límite el paso de la corriente.

En los de tipo de cátodo común, todos los cátodos de los ledes o segmentos están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a potencial negativo (nivel “0”). El encendido de cada segmento individual se realiza aplicando potencial positivo (nivel “1”) por la patilla correspondiente a través de una resistencia que límite el paso de la corriente.

PULL-UP Y PULL DOWN

Una forma de mantener la entrada

siempre a un voltaje conocido es usar

una resistencia pull-up o pull-down.

En la configuración pull up, cuando el

pulsador está en reposo, Vout será

prácticamente Vcc pudiéndose

considerar como nivel lógico alto.

Ahora bien, cuando se pulsa S1, se

deriva toda la corriente a masa, por

tanto Vout será 0v, valor lógico bajo.

Esto mismo ocurre con la

configuración pull down pero a la

inversa. Cuando el circuito esta en reposo, la caída de tensión en R1 es

prácticamente 0v que es la misma tensión de Vout. En ese momento

tendremos un nivel lógico bajo. Al pulsar S1, la caída de tensión en R1

ahora será Vcc, Vout será un nivel lógico alto.

Generalmente, se suele usar un valor de 10K para estas resistencias.

RESISTOR

Se denomina resistor o bien resistencia al componente

electrónico diseñado para introducir una resistencia

eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito.

En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos

simplemente como resistencias.

Es un material formado por carbón y otros elementos

resistivos para disminuir la corriente que pasa. Se

opone al paso de la corriente. La corriente máxima en

un resistor viene condicionada por la máxima potencia que pueda disipar su cuerpo.

Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea

necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Circuito que convierte la tensión alterna (red industrial) en una tensión prácticamente continúa.

VENTAJAS

Al programar en ensamblador tenemos el pleno control del micro-controlador

y los tiempos de ejecución de las instrucciones, esto nos permite precisión y

control total de nuestro programa aunque en ciertos proyectos realizar

instrucciones en ensamblador es muy largo de completar, se recomienda usar

librerías para la rápida ejecución y puesta en marcha de futuros proyectos.

Al usar el L293D nos ahorramos el colocar diodos de protección adicionales al

motor, ya que en este integrado los tiene incluido en su circuitería interna.

Si bien se usó un motor DC de 5 V, se realizó el trabajo para que la alimentación

del motor sea externa y así solo dependa de las especificaciones del IC L293D.

Se contó con una Placa de Desarrollo (Entrenadora) para las pruebas de las

etapas y del proyecto final, ayudándonos así a verificar nuestro trabajo

ahorrándonos el construir un modelo en el proto-board, sin embargo se

recomiendo hacerlo de todas formas para el proyecto final de puesta a prueba,

ya que así verificas de primera mano con nuestras capacidades que el circuito

funciona correctamente.

DESVENTAJAS

El lenguaje ensamblador puede resultar algo largo de comprender si no se

tiene la práctica necesaria.

EL L293D tiene la limitación de solo trabajar con voltajes de alimentación del

motor de 5v a 18 v y máximo 500mA, para casos de mayor potencia se

recomienda usar puentes H constituido por transistores MOSFET de potencia,

considerando las nuevas variables de potencia con nuestro circuito.

Tener conocimientos de CAD para diseño de circuito impresos, o en su defecto

dibujar las pistas a mano, aunque esto conlleva a un diseño muy artesanal y

poco profesional.

Este circuito no cuenta con etapa de regulación de voltaje por que se recomienda

la alimentación del sistema sea de 5V DC.

IMPLEMENTACION

CONSUMO/ENERGIA: Consideraciones de potencia del motor, en nuestro

caso un motor DC de 5V.

CONTROL: Control por medio de puente H o Driver, en nuestro caso un CI

L293D, y que pasos debe realizarse para el control del motor y

especificaciones a considerar.

Entradas: definir tipo y cantidad de entradas se usarán para el control del

motor.

Salidas: definir que se va a controlar, en nuestro caso el Driver y el Led de 7

Segmentos.

PROGRAMACIÓN: una vez considerado lo anterior se procede a realizar la

programación del PIC 16F877A de esta manera definimos los parámetros a

considerar.

PRUEBA SOFTWARE: Realizar a simulación en PROTEUS (ISIS) para

comprobar la funcionalidad de nuestro circuito y programación.

PRUEBA HARDWARE: Realizar la prueba de toda la etapa de diseño,

construyendo un modelo en una proto-board, revisas en recomendaciones

sobre la limitación del protoboard.

DISEÑO CIRCUITO FINAL: En nuestro caso una vez verificado el funcionamiento

del proyecto (Solución), se procedió a realizar el diseño de la placa impresa en

el software EAGLE, para así posteriormente imprimirlo y obtener el impreso

final, revisar recomendaciones para errores en el tamaño y distancia de los

componentes.

Construcción de Circuito impreso: En esta etapa se realiza la construcción de la

placa de circuito impreso, mediante el método de la plancha, no sé explicará la

misma ya que hay muchos tutoriales en la WEB, solo se indicará algunos

consejos a tomar en cuenta.

Consideraciones:

- Es preferible realizar movimiento con la plancha caliente sobre la el papel

adherido a la placa, que dejarlo fijo sobre ella, se obtiene mejor resultado.

- Realizar movimientos circulares, laterales y perpendiculares con el fin de

cubrir todo la placa.

- Realizar esta operación hasta que las pistas sean visibles como una sombra

sobre el papel.

- Siempre repasar con más tiempo los bordes de la placa ya que este es el

lugar al cual es calor se disipa más.

- Usar agua tibia para retirar el papel de la placa.

- Una vez retirado el papel revisar minuciosamente que la transferencia sea

correcta, que no falte nada y no haya de más, si ese es el caso ayudarse con

plumón de tinta indeleble para remarcar o una punza punta roma para

retirar excesos.

- Para el atacado con ácido férrico es conveniente que se realice

movimientos laterales como pequeñas olas sobre la placa así será más

rápido y fiable, ya que no dañara las pistas transferidas.

- Luego del atacado la mejor forma de retirar las pistas cubiertas es con una

esponja Verde de lavaplatos la más simple ya que no es muy abrasiva pero

sí lo suficiente para retirar las tinta.

- Usar Alcohol iso-propílico para retirar suciedad, grasa, tinta de la placa o el

circuito terminado.

- Para los agujeros se recomienda usar una broca para fierro de (1/32)”,

tener alguna de repuesto ya que pierden filo si se realiza un trabajo

prolongado, en su defecto tener una lija fina a ano para reconstruir su

cabezal.

- Se recomienda marcar y verificar con los componentes los lugares exactos

donde irán los agujeros.

CONCLUSIONES

Durante el desarrollo del proyecto se revisó las diversas maneras de solucionar

el problema de control del Motor, recogiendo observaciones de uno y otro lado

y así obtener el presente trabajo.

Hubo ciertas dificultades al momento de realizar la programación ya que en

nuestra opinión un diagrama de estado que nos indique que pasos ir realizando

en la programación nos ayudó muchísimo a finalizarla.

El diseño de circuito impreso final paso por algunas etapas de rediseño para

obtener la mejor presentación, sin embargo se sufrió mucho en la parte de

adecuar los componentes y las pistas manualmente en el diseño de Eagle, ya

que si bien este tiene la opción de enrutamiento automático no es el objetivo

principal de un estudiante de electrónica dejar a manos del programa la

realización, por 2 puntos muy importante el deseo de aprender lo que se hace y

la satisfacción de realizarlo uno mismo, es más siendo estos principios que

influyen en el momento de un trabajo real donde no se debe dejar todo a

automatismos.

Debido a problemas personales, horarios y otros muchos los integrantes del

presente grupo se dividieron tareas para completar este trabajo, solicitando las

consideraciones del caso, por el retraso y/o falencias en la presentación y

exposición del mismo.

El presente proyecto si bien fu terminado satisfactoriamente, presenta en el cd

que lo acompaña archivo modificados del circuito impreso y de la Simulación

con un mejor acabado y detalle que el presente, considerando pues que estás

modificaciones siempre requieren de prueba y tiempo, más aún cuando no se

tiene la experiencia necesaria en este tipo de trabajos.

RECOMENDACIONES

Todas estas recomendaciones se basan en experiencia propias previas y al momento

de realizar el trabajo:

PROTOBOARD: Para considerar casos y problemas reales previo a la

implementación, tener en cuenta que el proto-board solo permite pruebas en

circuitos de hasta máximo 10W de potencia, omitir este tipo de pruebas en

proyectos que requieran más este tipo de consumo o en su defecto aislar etapas

de alto consumo con las de control.

TAMAÑO COMPONENETES: Considerar el tamaño de papel a usar ya que

muchas veces la escala se ve afectada y por tanto tus distancias sean menores a

la de los componentes, elegir el tamaño del papel sobre el cual se va a imprimir

en este caso A4, para la transferencia se usó papel Glossy de 80 gr. Ya que

permite una mejor transferencia de calor.

PROBLEMAS DE IMPRESIÓN: Usar una impresora láser es lo ideal, y la opción

última sería una fotocopiadora pero esta no debe generar mucho calor, de lo

contrario dañara el papel y además hará que la fotocopiadora se atasque.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MICROCONTROLADORES PIC 16f84A: Editorial Omega Enrique Palacios

Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

MICROCHIP:http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&node

Id=1824&appnote=en012134

OTRO SITIOS WEBS:

- http://r-luis.xbot.es/ebasica2/index.html

- http://www.sei-automation.com/PMDCsmall.html

- http://electronica-pic.blogspot.com/2012/03/palabras-de-configuracion-de-los-

pic.html

ANEXOS

MAPA DE ESTADO DE LA PROGRAMACIÓN

NUEVA VERSION DE LA PLACA HECHA

ESQUEMA DE LA SIMULACION EN PROTEUS