Capitulo II

Fundamento Teórico

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CAPITULO II

FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)

PLC son las iniciales de Programmable Logic Controller, que traducido resulta

Controlador Lógico Programable . También se usa para nombrar a estos dispositivos

el término: Autómatas Programables .

Cualquier modificación en los procesos en una planta, significa recablear, agregar relés,

temporizadores, etc. en los tableros de mando y control. Esto implica largas paradas de

máquinas y a menudo los tableros quedan chicos para absorber los cambios. A fines de

la década del 60, consciente de estos problemas, la General Motor le encarga a sus

proveedores de controladores el diseño de equipos que cumplieran las siguientes

especificaciones:

• Flexibles: Los aparatos debían ser capaces de adaptarse a una gran variedad de

situaciones, incluso reutilizarse para otras máquinas. Esta flexibilidad pretendía ser

lograda mediante la programación.

• Estado Sólido: Los nuevos equipos debían estar realizados usando componentes

electrónicos.

• Ambiente: Debían poder soportar los ambientes industriales.

• Sencillos: Tanto la programación, como el mantenimiento y la instalación debían

estar a cargo del propio personal de la industria, ingenieros y técnicos, normalmente en

esa época sin conocimientos informáticos.

• Lógicos: Las funciones que debían gobernar eran del tipo on/off (todo/nada).

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2.1.1 HISTORIA DEL PLC

El primer PLC apareció en 1968 y cumplía con los requerimientos mínimos de General

Motor, pero rápidamente aparecieron ventajas adicionales tales como: menor consumo

de energía, reducción de espacio en los tableros, rápido mantenimiento, etc.

En 1972 aparecieron equipos que ya se programaban usando esquemas de contactos

(Relay Ladder Logic), figura 2.1

diseñar los antiguos equipos cableados, por lo que resultaba fácil pasarse a la nueva

tecnología y ello popularizó más su uso.

En 1974 aparece el microprocesador,

el desarrollo de los PLC. Permitiéndo

mejorando su confiabilidad.

PLC apareció en 1968 y cumplía con los requerimientos mínimos de General



Figura 2.1 Panel de Relés para control lógico

1972 aparecieron equipos que ya se programaban usando esquemas de contactos

, figura 2.1. Estos esquemas usaban los ingenieros y técnicos para

os antiguos equipos cableados, por lo que resultaba fácil pasarse a la nueva

tecnología y ello popularizó más su uso.

En 1974 aparece el microprocesador, figura 2.2, lo que provoca importantes avances en

arrollo de los PLC. Permitiéndo realizar tareas cada vez más complejas,

mejorando su confiabilidad.

Figura 2.2 PLC para control lógico

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PLC apareció en 1968 y cumplía con los requerimientos mínimos de General



1972 aparecieron equipos que ya se programaban usando esquemas de contactos

. Estos esquemas usaban los ingenieros y técnicos para

os antiguos equipos cableados, por lo que resultaba fácil pasarse a la nueva

lo que provoca importantes avances en

as cada vez más complejas,

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En estos últimos años el crecimiento no se detuvo y entre los avances y características

más importantes de los PLC actuales, se destacan:

• Posibilidad de entradas y salidas analógicas.

• Memorias más potentes y más reducidas. Lo que permite programas más

extensos.

• Capacidad de realizar operaciones aritméticas más complejas.

• Posibilidad de comunicación entre PLCs y entre PLC y computadoras.

• Mayor velocidad en el procesamiento de los datos.

• Entradas y salidas remotas. Sensores y actuadores a gran distancia del

controlador.

• Nuevos lenguajes de programación.

• Aplicación de computadoras para su programación.

2.1.2 VENTAJAS DE LOS PLCs RESPECTO A LA LÓGICA CONVENCIONAL

Son muchas las ventajas que resaltan a simple vista el empleo de los PLCs para

automatizar sistemas, desde aplicaciones básicas hasta sistemas muy complejos.

Actualmente, su uso es tan difundido que ya no se requiere mucho análisis para decidir

que técnica emplear, si la lógica cableada en base a relés o la lógica programada en

base al PLC. Sin embargo, a continuación se fundamenta cada una de estas ventajas:

- Menor costo

Las razones que justifican una mayor economía a la alternativa del uso del PLC,

especialmente en aplicaciones complejas se da porque prescinde del uso de

dispositivos electromecánicos y electrónicos tales como: relés auxiliares,

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temporizadores, algunos controladores, contadores, etc. Ya que estos

dispositivos simplemente deben ser programados en el PLC sin realizar una

inversión adicional. El costo que implica invertir en los equipos anteriormente

señalados, es muy superior al costo del PLC.

- Menor espacio

Un tablero de control que gobierna un sistema automático mediante un PLC, es

mucho más compacto que si se controlará con dispositivos convencionales

(relés, temporizadores, contadores, controladores, etc.) esto se debe a que el

PLC está en capacidad de asumir todas las funciones de control. La diferencia de

espacio se hace muy notable, cuando por medios convencionales se cuenta con

varios tableros de control.

- Confiabilidad

La probabilidad de que un PLC pueda fallar por razones de hardware es

insignificante, exceptuando errores humanos que puedan surgir en algunas

partes vulnerables (módulos de salida). Esto se debe como consecuencia que el

fabricante realiza un riguroso control de calidad, llegando al cliente un equipo en

las mejores condiciones; además dado que sus componentes son de estado

sólido con pocas partes mecánicas móviles, hacen que el equipo tenga una

elevada confiabilidad.

- Versatilidad

La versatilidad de estos equipos radica, en que es posible realizar grandes

modificaciones en el funcionamiento de un sistema automático, con sólo realizar

un nuevo programa y mínimos cambios de cableado. Además es importante

resaltar, que el tiempo empleado en realizar modificaciones comparado con la

técnica por la lógica cableada es significante.

- Poco mantenimiento

Estos equipos por su constitución de ser bastante compactos respecto a la

cantidad de trabajo que pueden realizar, y además, porque cuenta con muy

pocos componentes electromecánicos, no requiere un mantenimiento periódico,

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sino lo necesario para mantener limpio y con sus terminales ajustados a los

bornes y puesta a tierra.

- Instalación sencilla

Debido a que el cableado de los dispositivos tanto de entrada como de salida se

realiza de la misma forma y de la manera más simple, además que no es

necesario mucho cableado, su instalación resulta sumamente sencilla en

comparación a la lógica convencional que requiere de conocimientos técnicos

avanzados.

- Compatibilidad con dispositivos sensores y actuad ores

Actualmente las normas establecen que los sistemas y equipos sean diseñados

bajo un modelo abierto, de tal manera que para el caso de los PLCs estos

puedan fácilmente conectarse con cualquier equipo sin importar la marca o

procedencia. Hoy en día, casi todas las marcas de PLCs están diseñadas bajo

este modelo.

- Integración en redes industriales

El avance acelerado de las comunicaciones ha conllevado a que estos equipos

tengan capacidad de comunicarse vía una red LAN entre ellos y otros equipos, y

de este modo trabajar en sistemas jerarquizados o distribuidos, permitiendo un

mejor trabajo en los niveles técnicos y administrativos de la planta.

- Detección de fallas

La detección de una falla resulta sencilla porque dispone de leds, indicadores de

diagnóstico tales como: estado de la CPU, batería, terminales de E/S, etc.,

Además, mediante el módulo de programación se puede acceder al modo

dinámico del programa en representación gráfica, o también recurrir a la memoria

de errores ubicada en la CPU

- Programación sencilla

Programar los PLCs resulta fácil por la sencilla razón que no es necesario

conocimientos avanzados en el manejo de PCs, solamente es suficiente

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conceptos básicos. Por otro lado, existen diversas representaciones de

programación donde fácilmente el usuario se adopta a la representación que

mejor se familiariza. Sus instrucciones y comandos son transparentes y

entendibles, requiriendo poco tiempo para lograr ser un experto.

- Menor consumo de energía

Como es de conocimiento cualquier equipo electromecánico y electrónico

requiere un consumo de energía para su funcionamiento, siendo dicho consumo

representativo cuando se tiene una gran cantidad de ellos; sin embargo el

consumo del PLC es muy inferior, que en el tiempo se traduce en un ahorro

sustancial.

- Lugar de instalación

Por las características técnicas que representa en cuanto a los requisitos que

debe cumplir para su instalación, tales como: nivel de temperatura, humedad,

ruido, variaciones de tensión, distancias permisibles, etc. fácilmente se encuentra

un lugar en la planta donde instalarlo, aún en ambientes hostiles.

2.1.3 ARQUITECTURA DE UN PLC

2.1.3.1 ESTRUCTURA BÁSICA

Un controlador lógico programable está constituido por un conjunto de tarjetas o

circuitos impresos, sobre los cuales están ubicados componentes electrónicos

integrados. Cuando el controlador es del tipo modular, las diferentes tarjetas que tienen

funciones específicas, quedan alojadas en racks agrupadas convenientemente para un

funcionamiento en conjunto. Asimismo, todas las tarjetas están conectadas a través de

elementos de bus, que son circuitos por donde fluye la información y generalmente se

encuentran en la parte posterior. El controlador programable tiene la estructura típica de

muchos sistemas programables, como por ejemplo una microcomputadora. La

estructura básica del hardware de un controlador programable está constituido por:

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- Fuente de alimentación

- Unidad de procesamiento central (CPU)

- Módulos o interfases de entrada/salida (E/S)

- Módulos de memoria

- Unidad de programación

En algunos casos el trabajo que debe realizar el controlador es más exigente, en estos

casos se incluyen:

Módulos inteligentes

La Figura 2.3. muestra un diagrama de bloques de la estructura básica de un

automatismo gobernado por un PLC, y a continuación se describen con mayor detalle

cada una de las partes de un PLC.

Sensores

PROCESO

Actuadores

Interfase de

entrada CPU Interfase

de salida

Unidad de programación

Dia

logo

H

ombr

e/M

áqui

PLC

Figura 2.3. Diagrama de bloques de un PLC gobernando un proceso

Dia

logo

H

ombr

e/M

áqui

na

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2.1.3.2 FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La función de la fuente de alimentación en un controlador,

figura 2.4, es suministrar la energía eléctrica a la CPU y

demás tarjetas según la configuración del PLC.

La fuente en una configuración modular por lo general ocupa

el primer lugar de izquierda a derecha en el bastidor central

de un PLC modular, y está diseñado a base de un conjunto de

componentes eléctricos y electrónicos; su principio de

funcionamiento es transformar la tensión alterna de la red en

continua, a niveles compatibles que garanticen el

funcionamiento del hardware del controlador programable.

Como valores de referencia se indican algunos niveles de

tensión suministrada por una fuente de alimentación de una

marca determinada.

+ 5V para alimentar a todas las tarjetas

+ 5.2 V para alimentar al programador

+ 24 V para los canales de lazo cerrado de corriente 20mA

Todas las fuentes están protegidas contra sobrecargas mediante fusibles, que muy

fácilmente pueden ser reemplazados en caso de una avería.

Los fabricantes de estos equipos, generalmente diseñan al PLC con diferentes

características en cuanto al nivel de tensión, y capacidad de corriente que puedan

suministrar. Cuando se elige la fuente apropiada dependerá básicamente de la

complejidad y magnitud del controlador para manejar un determinado número de

tarjetas de E/S, tarjetas de comunicación, etc. Por consiguiente, es importante antes de

seleccionar la potencia de la fuente, conocer la potencia de todas las tarjetas

involucradas y prever expansiones futuras, con este valor finalmente se seleccionará la

fuente para el controlador.

Figura 2.4 . Fuente de alimentación para un PLC

modular Simatic

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2.1.3.3 UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL (C.P.U.)

Es la parte más compleja e imprescindible del controlador programable, que en otros

términos podría considerarse el cerebro del controlador, figura 2.5.

La unidad central está diseñada a base de microprocesadores y memorias; contiene

una unidad de control, la memoria interna del programa RAM, temporizadores,

contadores, memorias internas del tipo relé, imágenes del proceso de E/S, etc. Su

misión es leer los estados de las señales de las entradas, ejecutar el programa de

control y gobernar las salidas, el procesamiento es permanente y a gran velocidad.

Otra de las funciones es, antes de la elaboración

del programa, depositar los estados de señal de

todas las entradas en una memoria denominada

imagen del proceso de entradas, y durante la

ejecución del programa, guardar los resultados

de las combinaciones en otra memoria

denominada imagen del proceso de salidas.

La CPU al igual que para las computadoras, se

pueden clasificar de acuerdo a la capacidad de

su memoria y las funciones que pueden realizar,

además de su velocidad de procesamiento. El

tiempo de lectura del programa está en función

del número y tipo de instrucciones, y por lo

general es del orden de los milisegundos, este

tiempo tan pequeño significa, que cualquier

modificación de estado en una entrada, genera

casi instantáneamente una señal de salida.

La mayoría de los fabricantes en sus

especificaciones técnicas, dan a conocer al

S5-95U

S5-115U

Figura 2.5. Unidad de Procesamiento Central familia Simatic

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cliente la velocidad de procesamiento en unidades de milisegundos por Kbyte (ms/kb)

denominándolo el Scan time del procesador; lógicamente este parámetro dependerá del

tipo de instrucciones que contiene el programa, esto significa que es muy diferente

escanear operaciones del tipo binarias u operaciones del tipo palabras, en algunos

casos consideran porcentaje de cada uno de ellos para indicar el scan time.

Memoria

del usuario

Unidad lógica y aritmétic

a ALU

CPU

Memorias internas

Imágenes

del proceso IPE/IPS

Base

de datos

Memoria RAM

Memoria ROM sist. operativo

Módulos de memoria Bus periférico Canal serie

Unidad de Control

Figura 2.6. Diagrama de boques de las unidades funcionales de la CPU

2.1.3.4 MÓDULOS O INTERFASES DE ENTRADA Y SALIDA (E/S)

Los módulos de entrada o salida son los que proporcionan el vínculo entre la CPU del

controlador programable y los dispositivos de campo del sistema. A través de ellos se

origina el intercambio de información ya sea con la finalidad de la adquisición de datos o

la del mando para le control de máquinas del proceso.

Los módulos entrada, transforman las señales de entrada de procedencia y naturaleza

diversa que se transmiten hacia el controlador, a niveles permitidos por la CPU.

Mediante el uso de un acoplador óptico los módulos de entrada aíslan eléctricamente

de la sección lógica, protegiéndolo contra tensiones peligrosamente altos, ruidos

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eléctricos y señales parásitas. Finalmente proporcionan el filtrado de las señales

procedentes de los diferentes captadores ubicados en las máquinas.

Los módulos de salida, permiten que la tensión llegue a los dispositivos de salida. Con

el uso del acoplador óptico y con un relé de impulso, se asegura el aislamiento de los

circuitos electrónicos del controlador, y se transmiten las órdenes hacia los captadores

de mando.

Debido a que existen una gran variedad de dispositivos exteriores (captadores y

actuadores), se encuentan diferentes tipos de módulos de entrada y salida, cada uno de

los cuales sirve para manejar cierto tipo de señal (discreto o análogo) a determinado

valor de tensión o corriente en DC o AC.

2.1.3.4.1 MÓDULOS DE ENTRADA DIGITAL

Se usan como interfase entre los dispositivos externos

denominados también captador y la CPU del PLC, figura 2.7.

Estos captadores son los encargados de la adquisición de

datos del sistema, que para este caso sólo son de tipo

discreto, además tiene la característica de comunicar dos

estados lógicos, activado o desactivado, o lo que es lo

mismo permitir el paso o no de la señal digital (1 ó 0). Los

captadores pueden ser del tipo manual (botones pulsadores,

conmutadores, selectores, etc.) o del tipo automático (finales

de carrera, detectores de proximidad inductivos o

capacitivos, interruptores de nivel, etc.).

Estos módulos están diseñados mediante una estructura de cuatro funciones

operacionales para el sistema del controlador, ellos son:

- Adquisición: Consiste en el cableado de los captadores desde la máquina o

proceso hacia el módulo de entrada.

S5, 8 entradas 24 V DC Figura 2.7. Módulo de

entrada Discreta, Simatic

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- Acondicionamiento de la señal: Establece los niveles de tensión de entrada

de la máquina, a niveles lógicos convenientes, mediante resistencias limitadoras o,

puentes rectificadores para el caso en que la adquisición es en alterna.

- Señalización: Se disponen de lámparas indicadores (leds), que permiten la

función de diagnóstico más rápido. La tensión para el indicador puede provenir del

sistema o del mismo controlador.

- Aislamiento: Las señales son aisladas eléctricamente como físicamente

mediante dispositivos electrónicos opto-acopladores.

Todos los módulos tienen también circuitos de filtrado, que suprimen las señales

parásitas perjudiciales al funcionamiento del controlador. En la Figura 2.8, se presenta

los circuitos eléctricos equivalentes y elementales de los módulos de entrada digital

para DC y AC respectivamente. Ambos tipos de interfase tienen el mismo principio, a

diferencia de los de alterna que incluye una etapa previa de rectificación, allí se puede

visualizar las cuatro etapas operaciones empezando por la adquisición de la señal,

luego es acondicionada por un rectificador o resistencia limitadora, seguidamente es

señalizada mediante un led y acoplada ópticamente: observe también que cuenta con

una impedancia para el filtrado.

Es importante señalar, que la mayoría de fabricantes de controladores diseñan estos

módulos en varias alternativas, principalmente en: la cantidad de canales o terminales

de conexión que suponen, el nivel de tensión y la corriente que manejan, con el objetivo

de adaptar al controlador, las diferentes magnitudes de señales de los procesos

industriales, y de este modo más flexibles.

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Sensor

Discreto

Resistencia

Limitadora

Opto

acoplador

Diodo de

señalización

Fuente

Externa

Filtro RC

Interfase DC

Al procesador

del PLC

Figura 2.8. a) Interfase para entrada digital en DC

Figura 2.8. b) Interfase para entrada digital en AC

2.1.3.4.2 MÓDULOS DE SALIDA DIGITAL

Al igual que los módulos de entrada digital, estos módulos se usan como interfases

entre la CPU del controlador programable y los dispositivos externos denominados

actuadores, en la que solo es necesario transmitirle dos estados lógicos, activado o

desactivado. Los actuadores que se conectan a estas interfases puedan ser:

contadores, relés, lámparas indicadoras, electroválvulas, displays, anunciadores, etc. La

estructura de estos módulos contempla también las cuatro funciones operacionales que

son:

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- Terminación: Alambrado desde el módulo hacia los actuadores que se

encuentran cerca de la máquina o proceso.

- Acondicionamiento de la señal: Convierte las

señales provenientes de la CPU, de un nivel lógico a un

control de conexión y desconexión.

- Aislamiento: Las señales son aisladas mediante

dispositivos optoacopladores.

Existen de acuerdo a sus diseño, diversos tipos de

módulos de salida, donde cada uno de ellos se destaca

según el tipo de corriente que maneja. Así, los del tipo

transistor para corriente continua, mientras que los del

tipo triac y relé para corriente alterna.

2.1.3.4.2.1 MÓDULOS DE SALIDA DIGITAL TIPO TRANSISTOR

Su principio de funcionamiento es en base a transistores, lo que significa una

constitución íntegramente en estado sólido con características para trabajar en corriente

continua (DC) de larga vida útil y con bajo nivel de corriente, figura 2.10.

Receptor Discreto

Opto acoplador

Diodo de señalización

Fuente Externa

Interfase

Al procesador del PLC

Figura 2.10. Circuito equivalente de una interfase de salida digital en DC (tipo transistor)

S5, 8 entradas 24 V DC Figura 2.9. Módulo de entrada Digital, Simatic

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2.1.3.4.2.2 MÓDULOS DE SALIDA DIGITAL TIPO TRIAC

Estas interfases funcionan mediante la conmutación de un Triac, figura 2.11, son

igualmente en estado sólido y se usan para manejar señales en corriente alterna.

Figura 2.11. Circuito equivalente de una interfase de salida digital en tipo TRIAC

2.1.3.4.2.3 MÓDULOS DE SALIDA DIGITAL TIPO RELÉ

Estos módulos a diferencia de los anteriores, están compuestos por dispositivos

electrónicos y un micro relé electromagnético de conmutación. Su campo de acción le

permite trabajar en AC y DC y con diferentes niveles de tensión, con la ventaja de

manejar corrientes más elevadas y con el inconveniente de una corta vida útil debido al

desgaste de la parte móvil de los contactos, figura 2.12.

Figura 2.12. Circuito equivalente de una interfase de salida digital en AC (Tipo Relé)

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Durante su funcionamiento estos módulos se caracterizan respeto a los de estado

sólido, por el reconocible sonido de los contactos de conmutación que emiten los

microrelés.

2.1.3.4.3 MÓDULOS DE ENTRADA ANALÓGICA

Los módulos de entrada analógica son tarjetas electrónicas que tienen como función,

digitalizar las señales analógicas para que puedan ser procesadas por la CPU, figura

2.13. Estas señales analógicas que varían continuamente pueden ser magnitudes de

temperatura, presiones, tensiones, corrientes, etc.

Los módulos generalmente están constituidos por un convertidor análogo digital (ADC)

y un multiplexor. Además, a cada módulo según su diseño, pueden conectársele un

número determinado de sensores analógicos; a estos

terminales de conexión se los conoce como canales.

Existen tarjetas de 4, 8, 16 y 32 canales de entrada

analógica.

Por otro lado, el principio de funcionamiento consiste,

primero en la adquisición de la información analógica del

proceso vía los sensores de entrada, teniendo presente el

tipo de señal física que se desea procesar, así por ejemplo

una termocupla, que estaría conectada en cualquier canal

del módulo analógico.

El multiplexor hace las veces de conmutador para seleccionar un canal al cual está

conectado la señal analógica que se desea procesar, para luego transmitirlo al

convertidor análogo-digital (ADC). Este convertidor, a su vez se encargará de digitalizar

la señal que estará en función del nivel de la señal analógica que recibe; finalmente,

esta información es transmitida al controlador para ser depositada en una memoria

denominada imagen del proceso de entrada, para que pueda ser ingresada por el

programa del usuario.

Figura 2.13. Módulo de entrada Analógica, Simatic

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Es importante señalar que cualquier magnitud analógica que se desea procesar vía los

módulos de entradas analógicas, tiene que estar representada por una señal de

tensión, corriente o resistencia, este trabajo es realizado por el mismo sensor o a través

de un transductor

Estos módulos se distinguen por el tipo de señal que reciben pudiendo ser de tensión

(V) o de corriente (mA), que se encuentran dentro de ciertos rangos estandarizados,

donde los más difundidos son:

- Señal de corriente: 0-20 mA, 4-20 mA, ±10 mA

- Señal de tensión: 0-10 V, 0-5 V, 0-2 V, ±10 V

La ventaja de trabajar con señales de corriente respecto a la de tensión, radica en que

no presenta los problemas del ruido eléctrico y la caída de tensión.

Por último, en lo que respecta a la calidad de la lectura de la información estos módulos

se caracterizan por dos parámetros importantes:

- La resolución, Se refiere a la cantidad de bits que utiliza el convertidor A/D,

para representar el valor analógico, lo que significa que a mayor número de bits

existirá mayor precisión. Las resoluciones típicas son de 8 y 16 bits.

- El tiempo de escrutinio, resulta obvio que si se realiza un mayor número de

muestreos en un mismo intervalo de tiempo, se reproduce la forma de onda de

un modo más preciso, Por lo tanto, es conveniente un menor tiempo de

escrutinio.

2.1.3.4.4 MÓDULOS DE SALIDA ANALÓGICA

Estos módulos son usados cuando se desea transmitir hacia los captadores análogos

señales de tensión o de corriente que varían continuamente, y están constituidos

básicamente por dispositivos multiplexores, convertidores digital-análogo (DAC), opto-

acopladores, etc.

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Su principio de funcionamiento puede considerarse como

un proceso inverso al de los módulos de entrada analógica,

esto quiere decir que la información digital proveniente del

procesador ya elaborado por un programa del usuario, es

optoacoplado por estas interfases para asegurar una

separación galvánica; a continuación un multiplexor se

encarga de enviar los datos al convertidor digital analógico

(DAC) para su conversión a señal analógica, figura 2.14.

Estos módulos pueden tener uno o más, dependiendo de

la cantidad de canales de salida que tenga. Debe tenerse

presente también, que la uniformidad o regularidad de la señal analógica está

supeditada a la resolución del DAC, lo que significa que es importante en estos módulos

el nivel de resolución y el tiempo de respuesta.

Las señales analógicas de salida son de dos tipos, señales de corriente y señales de

tensión. Dentro de las estandarizadas se tienen:

- Señal de corriente: 0-20 mA, 4-20 mA, ±20 mA

- Señal de tensión: 0-10 V, ±10 V

2.1.3.5 MÓDULOS DE MEMORIA

Son dispositivos electrónicos enchufables en la CPU, destinados a guardar información

de manera provisional o permanente. Se cuenta con dos tipos de memorias, volátil

(RAM) y no volátil (EPROM y EEPROM), según requieran o no de energía eléctrica

para su conservación de la información.

La capacidad de memoria de estos módulos se diseña en diferentes tamaños. Las más

típicas son: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 Kb, y más, excepcionalmente.

Figura 2.14. Módulo de salida Analógica, Simatic

Fundamento Teórico

2.1.3.5.1 MEMORIA RAM (Random Access Memory)

RAM 64Kb

Figura 2.15.

Este tipo de memoria sirve para almacenar el programa del usuario durante su

elaboración y prueba, donde es posible modificarlo constantemente. El contenido de la

memoria RAM, ya sea la del módulo enchufable o la que posee la CPU, es

decir, su contenido se pierde si el suministro de energía proporcionado por la fuente de

alimentación se desconecta. Por consiguiente, para evitar perder la información ante

fallas de suministro, es necesario salvaguardarlo mediante una batería de larga

duración enchufable en la CPU, estas fuentes son disponibles por todos los tipos de

controladores y tienen una duración que varía entre 2 a 5 años, dependiendo del tipo de

CPU, figura 2.15. Es importante por consiguiente, que esta batería se mantenga en

perfectas condiciones durante todo el tiempo de funcionamiento del PLC.

2.1.3.5.2 MEMORIA EPROM (Enable Programmable Read Only Memory)

Es un Módulo de memoria enchufable del tipo

contenida se conserva aún cuando se pierde el suministro de energía. Se utiliza

normalmente para guardar programas definitivos ya probados y debidamente

depurados, además pueden ser transportados y utilizados en cualquier controla

su marca y tipo.

2.1.3.5.1 MEMORIA RAM (Random Access Memory)

RAM 64Kb RAM 32Kb

Figura 2.15. Módulo de memoria RAM, Simatic



memoria RAM, ya sea la del módulo enchufable o la que posee la CPU, es

contenido se pierde si el suministro de energía proporcionado por la fuente de

se desconecta. Por consiguiente, para evitar perder la información ante


hufable en la CPU, estas fuentes son disponibles por todos los tipos de


. Es importante por consiguiente, que esta batería se mantenga en

iciones durante todo el tiempo de funcionamiento del PLC.


de memoria enchufable del tipo no volátil, es decir, la información



depurados, además pueden ser transportados y utilizados en cualquier controla

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RAM 32Kb



memoria RAM, ya sea la del módulo enchufable o la que posee la CPU, es volátil , es

contenido se pierde si el suministro de energía proporcionado por la fuente de

se desconecta. Por consiguiente, para evitar perder la información ante


hufable en la CPU, estas fuentes son disponibles por todos los tipos de


. Es importante por consiguiente, que esta batería se mantenga en

iciones durante todo el tiempo de funcionamiento del PLC.


es decir, la información



depurados, además pueden ser transportados y utilizados en cualquier controlador de

Fundamento Teórico

EPROM 64Kb

Figura 2.16.

Para grabar este módulo es necesario utilizar aparatos

también para este propósito, mientras que para borrarlos deben ser sometidos a rayos

ultravioletas durante 15 a 45 minutos. Por lo tanto, se requiere de una unidad para la

escritura y otra para el borrado

2.1.3.5.3 MEMORIA EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only

Memory)

Este módulo tiene las mismas características que el módulo EPROM, con la única

diferencia que el borrado se realiza eléctricamente, es por ello que se denomina

memoria de sólo lectura, eléctricamente programable y borrable

Para estos tipos de módulos, los aparatos de programación realizan las dos funciones

tanto de programación como de borrado.

EPROM 64Kb EPROM 32Kb

Figura 2.16. Módulo de memoria EPROM, Simatic

Para grabar este módulo es necesario utilizar aparatos de program



escritura y otra para el borrado, figura 2.16.

MEMORIA EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only



tura, eléctricamente programable y borrable, figura 2.17


tanto de programación como de borrado.

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EPROM 32Kb

de memoria EPROM, Simatic

de programación destinados



MEMORIA EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only



, figura 2.17.


Fundamento Teórico

Figura 2.17.

2.1.3.6 UNIDAD DE PROGRAMACIÓN

Los aparatos de programación denominados también terminales de programación son

el medio de comunicación entre el hombre y la máquina, a través de la escritura,

lectura, modificación, monitoreo, forzado, diagnóstico y la puesta a punto de los

programas. Estos aparatos están constituidos por un teclado y un dispositivo de

visualización, donde el teclado muestra todos los símbolos (números, letras,

instrucciones, etc.) necesarios para la escritura del programa y otras acciones

anteriormente señaladas.

El visualizador o pantalla pone a la vista todas las instrucciones programadas o

registradas en memoria. Existen tres tipos de programadores: los manuales:

held, tipo calculadora, los video: tipo

manuales se caracterizan por su fácil programación (lista de instrucciones), portátiles y

económicos; generalmente son usados en los PLCs pequeños en los que no se

requiere mayor complejidad en la programación.

El método de programación más completo incluyendo la detección

programadores de video y las computadoras personales, en ella se puede emplear

todos los lenguajes para la programación: lista de instrucciones (literal) y método

gráfico. Cuando se usa la computadora, que por lo general es común, es necesari

software de programación.

Figura 2.17. Módulo de memoria EEPROM, Simatic

2.1.3.6 UNIDAD DE PROGRAMACIÓN




stos aparatos están constituidos por un teclado y un dispositivo de



anteriormente señaladas.

isualizador o pantalla pone a la vista todas las instrucciones programadas o

registradas en memoria. Existen tres tipos de programadores: los manuales:

tipo calculadora, los video: tipo PC y la Computadora

izan por su fácil programación (lista de instrucciones), portátiles y


requiere mayor complejidad en la programación.

El método de programación más completo incluyendo la detección



gráfico. Cuando se usa la computadora, que por lo general es común, es necesari

software de programación.

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de memoria EEPROM, Simatic




stos aparatos están constituidos por un teclado y un dispositivo de



isualizador o pantalla pone a la vista todas las instrucciones programadas o

registradas en memoria. Existen tres tipos de programadores: los manuales: Hand

Computadora . Los programadores

izan por su fácil programación (lista de instrucciones), portátiles y


El método de programación más completo incluyendo la detección de fallas son



gráfico. Cuando se usa la computadora, que por lo general es común, es necesario el

Fundamento Teórico

29

Los aparatos de programación son una herramienta importante, necesaria para el

diálogo con el PLC, pero físicamente independiente los cuales permiten:

- Escribir a través de lista de instrucciones o mediante el método gráfico los

programas, así como modificarlos o borrarlos de manera total o parcial.

- Leer o borrar los programas contenidos en la memoria RAM por la CPU, o

también de las memorias EPROM o EEPROM

- Simular la ejecución de las instrucciones del programa a través del forzado de

las entradas o salidas.

- Detectar y visualizar las fallas del programa o fallas originales en los

dispositivos de campo de entrada o salida.

- Visualizar en todo momento el estado lógico de los captadores y

accionadores en tiempo real.

- Permite ingresar a instrucciones tales como: copiar, borrar, insertar, guardar,

etc., que sirven de ayuda para un mejor análisis de la programación.

2.1.4 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Por lo general todos los fabricantes o representantes de PLCs distribuyen a sus clientes

catálogos o manuales, los cuales contienen las especificaciones técnicas de sus

equipos. El detalle con que se presenta esta información, dependerá del tipo de

catálogo y también del fabricante; no todos lo presentan con la misma estructura. Sin

embargo, lo más importante para comprender estos datos es saber el significado que

representa cada una de ellas, pues, los fabricantes respetan las normas técnicas en la

especificación de los equipos.

A continuación se describe la mayoría de las especificaciones técnicas más difundidas

con algunos ejemplos:

Fundamento Teórico

30

Marca

Nombre que da el fabricante a sus productos para diferenciarlos de los demás.

Simatic/Siemens

Telemecanique

Allen-Bradley

General Electric

AEG Modicon

Procedencia

Lugar de origen de su fabricación

Alemania

Francia

USA

Japón

Suecia

Serie

Se refiere a la especificación de los equipos fabricados bajo ciertas

características, y por lo general se diferencian en el rango o tamaño del PLC. Se

representa mediante números, letras o una combinación de ellos.

S5-135U/Simatic

TSX 17-20/Telemecanique

SLC 500/Allen-Bradley

90-30 General Electric

A 500/AEG Modicon

Tipo

Se refiere a la configuración del PLC

Compacto (COM)

Modular (MOD)

Fundamento Teórico

31

CPU

Especificaciones dadas para distinguirlos de sus características de operación,

tales como: velocidad de procesamiento, memoria disponible, cantidad de E/S,

etc. Se representa mediante números, letras o una combinación de ambos.

928, 922, 921, 920 /Simatic S5 135 U

TSX 47-10/Telemecanique

5/03 Allen-Bradley

341, 331, 323, 321, 313, 311/General Electric

984/AEG Modicon

Capacidad de memoria

Dado en Kilo-bytes o Kiloword o pueden especificarse las siguientes:

TOTAL

RAM

EPROM

EEPROM

Scan time

Denominado así al tiempo de ciclo. Es el tiempo que demora en procesar todas

las instrucciones de un programa, depende de la cantidad y complejidad de las

instrucciones. Por lo general se expresa en milisegundos o microsegundos por

1K de instrucciones del tipo:

Binaria o

65% del tipo binarias y 35% del tipo palabra

Un PLC Simatic S5-135U con CPU 921 tiene un Scan Time de: 1.3 ms/1K para

instrucciones binarias y 17 ms/1K para los del tipo combinadas.

Cantidad total de instrucciones

Se refiere al número máximo de instrucciones que se puede cargar en el

programa del usuario, y está dado en (Kb)

32 Kb / Simatic S5-135U

Fundamento Teórico

32

Cantidad de entradas discretas

Total

Por módulos

Tensión de entrada en DC/AC

Intensidad de corriente de entrada nominal

Frecuencia en AC

Cantidad de salidas discretas

Total

Por módulos

Tensión de entrada en DC/AC

Intensidad de corriente nominal

Frecuencia de conmutación

Tipo de salida: Transistor/Triac/Relé

Cantidad de E/S analógicas

Total

Tipo: pudiendo ser de tensión, corriente o resistencia

Márgenes de entrada

Resistencia de entrada: para las entradas analógicas

Resistencia de salida : para las salidas analógicas

Resolución

Tiempo de escrutinio

Memorias internas

Denominado también Bits internos, banderas o marcas. Son memorias que

tienen la misma función que los relés electromagnéticos y se usan en la lógica

del programa. Se especifica de la siguiente manera:

Total, sumatoria de las memorias internas remanentes y no

remanentes.

No Remanentes, Son aquellos que no retienen la información ante una

pérdida de energía.

Fundamento Teórico

33

Remanentes, Son aquellos que retienen la información ante una

pérdida de energía.

Funciones de programación

Son todas aquellas funciones de tiempo, conteo, memorias, registros operación,

etc. Que se usa en la programación. En algunos casos importantes conocer su

tipo y cantidad, las más conocidas son:

Temporizadores: on delay, off-delay, etc.

Contadores: ascendentes y descendentes

Memorias intermedias

Registros de datos

Shift register

Secuenciador

Operaciones aritméticas: +, -, x, /

Comparadores: >, <, ><, >=, <=, =

Carga y transferencia

Salto y conversión, etc.

Reloj calendario

Usado para programar la hora y fecha en los programas del usuario.

Hr / min / seg

Año / mes / día

Algoritmo de regulación PID

Es una función que dispone algunas CPUs para efectuar regulación de acción.

Se usa en sistemas regulados como los que se encuentra en la ingeniería de

procesos, por ejemplo: en la regulación de presión, temperatura a caudal.

Software de programación

Cada fabricante tiene su propio software para la programación de sus equipos,

algunos con mayores ventajas que otros:

STEP 7 / Simatic

Micrologix500 / Alllen Bradley

Fundamento Teórico

34

Password de protección

Es una clave de acceso del usuario para autorizar la programación.

Visualización de procesos

Software de monitoreo y control de procesos industriales vía PLCs. La

visualización dinámica del proceso se da en forma gráfica haciendo simple la

supervisión, así mismo, la adquisición de datos es en tiempo real.

Aparatos de programación

Son equipos destinados a la programación de los PLCs y se disponen en los

siguientes tipos:

Hand held, programadores manuales para programar en lista de

instrucciones.

Programadores del tipo PC, programadores de video para programar

en modo literal o gráfico.

PC compatibles, Computadores personal para programar en modo

literal o gráfico; es necesario tener el software para su instalación.

Duración de la batería de respaldo

Es el tiempo dado en años durante la cual se garantiza que la batería ubicada en

la CPU está operativa (2 ó 5) años.

Indicadores de diagnóstico

Son leds ubicados en las diferentes partes del PLC, que tienen como función

indicar el modo de operación, diagnóstico de fallas, etc. De estos equipos, así

como también, el estado de la batería. Entre los Leds indicadores más

importantes se tienen:

CPU

RUN

STOP

RESET

Fallas E/S

Forzamiento

Fundamento Teórico

35

Memoria de diagnóstico

Batería baja

QVZ / ZYK / B, etc.

Potencia consumida

Es la potencia consumida de la red por la fuente de alimentación y está

expresado en:

Vatios / DC

VA / AC

Canales de comunicación

Son pórticos de entrada y salida cuya función es la comunicación con:

Programadores

Módulos inteligentes

Redes administrativa y/o industrial, etc.

Estos pueden ser del tipo:

RS-232

RS-232C

RS-422

RS-485

Lazo de corriente

Posibilidad de comunicación en red

Se refiere a la posibilidad de trabajar en red, pudiendo conectarse ya sea en una

red administrativa y/o industrial. Para el caso de redes industriales, el PLC puede

desempeñar la función de:

Maestro

Esclavo

Condiciones ambientales

Son aquellas condiciones límites para la temperatura y humedad a las que

pueden estar sometidos en casos extremos sin alterar sus características de

Fundamento Teórico

36

funcionamiento. Para ambas condiciones se especifican los valores según el

modo de trabajo del PLC y son:

- Temperatura, Dado en (ºC) para las condiciones de:

Operación y

Almacenamiento

- Régimen de humedad, Dado en (%) para las condiciones de:

Operación y

Almacenamiento

Otras características

Estas dependen de la norma y por consiguiente de las unidades estas son:

Inmunidad al ruido

Shock

Vibración, etc.

Dimensiones de montaje

Se refiere a las dimensiones físicas del equipo tales como: módulos, cables, etc.

Estos datos son importantes para efectos de montaje.

Peso

Esta magnitud dado en (Kgs) puede ser importante para efectos montaje.

Certificación

Es una información que depende de la procedencia del equipo y se refiere a la(s)

técnica(s) utilizadas para su diseña y control de calidad, así por ejemplo existen:

UL

VDE

SA, etc.

Fundamento Teórico

37

2.1.5 PROGRAMA, PROGRAMACIÓN Y LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Desde el punto de vista del Procesador, un programa es un conjunto de instrucciones o

proposiciones bien definidas que le dicen lo que tiene que hacer. Cada instrucción le

indica:

Que operación realizará a continuación.

De donde obtendrá los datos que necesita para realizarla

Dónde guardará los resultados de la operación.

Desde el punto de vista del usuario, un programa son las especificaciones de un

conjunto de operaciones que debe llevar a cabo el computador para lograr resolver una

determinada tarea.

Un programa se escribe en un lenguaje de programación, estos lenguajes permiten

simplificar la creación de programas debido a su fácil descripción de las instrucciones

que ha de ejecutar el procesador; en algunos casos, agrupando varias instrucciones y

dando un solo nombre al conjunto, de tal forma que la lista de operaciones se reduce

considerablemente resultando fácil la compresión y resolución de programas. También

varios cientos de instrucciones simples se pueden expresar con una lista de unas

cuantas líneas.

Finalmente a la acción de realizar un programa se lo conoce como programación.

En conclusión, reuniendo estos tres conceptos se puede decir: Un programa se escribe

en un lenguaje de programación y a la actividad de expresar un algoritmo en forma de

programa se le denomina programación.

A menudo, el lenguaje de programación se denomina software programación cuando se

emplea un término genérico, a fin de distinguirse el hardware.

Fundamento Teórico

38

2.1.5.1 CLASIFICACIÓN DE LOS PROGRAMAS

Parte del programa lo escriben los usuarios para ejecutar tareas que desean

automatizar, pero además existen otros programas ya escritos que permiten procesar

los programas del usuario. A continuación, se definirán estos dos tipos de programas.

2.1.5.1.1 PROGRAMAS DE SISTEMA

Existen cierto número de otros programas que proporcionan servicios vitales a los

programas del usuario, esto es, realizan función operativas internas del controlador;

estos programas, incluyendo los traductores de lenguaje reciben la denominación

colectiva de programación del sistema o software del sistema. Un elemento notable

de éste es su sistema operativo, cuyos servicios incluyen el manejo de los dispositivos

de entrada y salida del PLC, el almacenamiento de la información durante largos

periodos, organizar el procesamiento de los programas del usuario o aplicación, etc.

Estos programas están almacenados en la memoria EPROM dentro de la CPU, por lo

tanto no se pierden ni alteran en caso de pérdida de alimentación al equipo. El usuario

no tiene acceso a ellos.

2.1.5.1.2 PROGRAMAS DE APLICACIÓN O DEL USUARIO

Es el conjunto de instrucciones o proposiciones que programa el usuario, con el fin de

resolver tareas de automatización específica. Para ello, el usuario escribe el programa

de acuerdo a la representación de lenguaje de programación que mejor se adapte a su

trabajo, o en todo caso, tenga un mejor dominio. Es importante señalar, que algunos

fabricantes no emplean todos los tipos de representaciones de los lenguajes de

programación, no obstante, el usuario tendrá que adaptarse a la representación que se

disponga.

Este detalle se puede observar en la figura 2.18.

Fundamento Teórico

39

Figura 2.18. Tipos de programas utilizados por el PLC

2.1.5.2 REPRESENTACIÓN DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Y LA NORMA IEC

1131-3

En la actualidad cada fabricante diseña su propio lenguaje de programación, lo que

significa, que existe una gran variedad comparable con cantidad de PLCs que hay en el

mercado. Las formas que adopta el lenguaje de programación usado para realizar se

denomina representación del lenguaje de programación.

Hasta el momento existen tres tipos representaciones como más difundidas a nivel

mundial, las cuales, cada fabricante, las emplean para su programación, estas son:

Lista de instrucciones

Plano de funciones

Diagrama contactos o diagrama en escalera

PROGRAMAS

Programas del sistema Programas de Aplicación

Operación Interna de Control

Tareas de Automatización

Memoria ROM

Memoria RAM

Unidad de Control

CPU

Lenguaje de Máquina Lenguaje de Aplicación

E1 E2 S1

S1

Fundamento Teórico

40

Es obvio, que la gran diversidad de lenguajes de programación da lugar a que cada

fabricante tenga su propia representación, originando cierta incomodidad al usuario

cuando programa más de un PLC.

Con el objetivo de uniformizar estas representaciones, se estableció una norma

internacional IEC 1131-3 que se encarga de estandarizar los lenguajes de

programación.

Esta norma contempla dos tipos de lenguajes de programación.

Lenguajes Gráficos

Lenguajes Textuales

2.1.5.2.1 LENGUAJES GRÁFICOS

Se denomina lenguaje gráfico a la representación basada en símbolos gráficos, de tal

manera que según la disposición en que se encuentran cada uno de estos símbolos y

en conformidad a su sintaxis que lo gobierna, expresa una lógica de mando y control.

2.1.5.2.1.1 BLOQUE DE DE FUNCIONES SECUENCIALES (SFC) O GRAFCET

El grafcet es una representación de análisis gráfico donde establecen las funciones de

un sistema secuencial, figura 2.19.

Este lenguaje consiste en una secuencia de etapas y transiciones asociadas

respectivamente con acciones y condiciones.

Las etapas representan las acciones a realizar y las transiciones las condiciones que

deben cumplirse para ir desarrollando acciones. Donde Etapa-Transición es un conjunto

indisociable.

Fundamento Teórico

41

5

6

7

10

MOTOR 1

Transición

Etapa

Figura 2.19. Representación de un programa en GRAFCET

2.1.5.2.1.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DE FUNCIONES

Es una representación gráfica orientada a las puertas lógicas AND, OR, NOT y sus

combinaciones. Las funciones individuales se representan con un símbolo, donde en su

lado izquierdo se ubican las entradas y en el derecho las salidas. Los símbolos usados

son iguales o semejantes a los que se utilizan en los esquemas de bloques en

electrónica digital, figura 2.20.

Figura2.20. Representación de un diagrama de bloques de funciones

Fundamento Teórico

42

2.1.5.2.1.3 DIAGRAMA DE CONTACTOS O DIAGRAMA EN ESCALERA (LADDER)

Es la representación gráfica que tiene cierta analogía a esquemas de contactos según

la norma Nema (USA).

Su estructura obedece a la semejanza que existe con los circuitos de control con lógica

cableada, es decir, utiliza la misma representación de los contactos normalmente

abiertos y normalmente cerrados, con diferencia que su interpretación es totalmente

diferente, figura 2.21.

Además de los simples contactos que dispone, existen otros elementos que permiten

realizar cálculos aritméticos, operaciones de comparación, implementar algoritmos de

regulación, etc. Su gran difusión se debe para facilitar el trabajo a los usuarios.

E.1 E.2

E.3

E.4 E.5

S.1

Figura2.21. Representación de un programa en diagrama de contactos.

2.1.5.2.2 LENGUAJES TEXTUALES

Este tipo de lenguaje se refiere básicamente al conjunto de instrucciones compuesto de

letras, códigos y números de acuerdo a una sintaxis establecida.

Se considera un lenguaje de menor nivel que los gráficos y por lo general se utilizan

para programar pequeños PLCs cuyos programas no son muy complejos, o para

programar instrucción no programable en modo gráfico.

Fundamento Teórico

43

Existen dos lenguajes en nivel y tipo de aplicación, ellos son:

2.1.5.2.2.1 LISTA DE INSTRUCCIONES

Son instrucciones del tipo booleanas, se utilizan para su representación letras y

números. Dado que se usan abreviaturas nemotécnicos, no se requiere gran memoria

para su programación, especialmente si el programa consta de unos cientos de

instrucciones.

Tabla 2.1. Representación de un programa en lista de instrucciones para diferentes marcas de PLCs

Siemens (Simatic) Telemecanique General Electric

U E0.1

U E0.2

O E0.3

= A3.1

L I0.01

A I0.02

O I0.03

= O3.01

LD %I0001

AND %I0002

OR %I0003

OUT %Q0031

2.1.5.2.2.2 TEXTO ESTRUCTURADO

Es un lenguaje del tipo booleano de mayor nivel y estructurado, incluye las típicas

sentencias de selección (IF-THEN-ELSE) y de interacción (FOR, WHILE y REPEAT),

además de otras funciones específicas para aplicaciones de control. Su uso es ideal

para aplicaciones en las que se requiere realizar cálculos matemáticos, comparaciones,

emular protocolos, etc.

Tabla2.2. Programa en texto estructurado para un PLC marca Telemecanique TSX-07

LD

ST

LD

AND

ST

LD

OR

ST

[%MW10>100]

%Q0.3

%M0

[%MW20<%MW35]

%Q0.2

%I0.2

[%MW30 > = %MW40]

%Q0.4

Fundamento Teórico

2.2 MICROCONTROLADORES

Figura2.22. Diferentes tipos de microcontroladores

En las aplicaciones sencillas resultan preferibles las soluciones no programables que no

requieren desarrollo de software. Es

resulta más costoso y en aplicaciones sencillas y/o de poca tirada a menudo es más

razonable efectuar tareas en hardware. Sin embargo, conforme aumenta la complejidad

del sistema, aumentan las ventajas del us

Una de las principales ventajas de los sistemas programables es su flexibilidad, lo que

permite actualizar el funcionamiento de un sistema tan sólo mediante el cambio del

programa sin tener que volver a diseñar el hardware. Es

importante, al permitir que los productos se actualicen con facilidad y economía.

2.2 MICROCONTROLADORES

Diferentes tipos de microcontroladores de la familia de Microhip y Dallas


requieren desarrollo de software. Escribir software consume mucho tiempo por lo que



del sistema, aumentan las ventajas del uso de sistemas programables.



programa sin tener que volver a diseñar el hardware. Esta flexibilidad es muy


44

de la familia de Microhip y Dallas


cribir software consume mucho tiempo por lo que



o de sistemas programables.



ta flexibilidad es muy


Fundamento Teórico

45

2.2.1 HISTORIA DE LOS MICROCONTROLADORES

En el año 1971 la compañía de semiconductores Intel lanzó al mercado el primer

microprocesador , lo que supuso un cambio decisivo en las técnicas de diseño de los

equipos de instrumentación y control. Este circuito integrado contenía todos los

componentes de la unidad central de procesos (CPU) de una computadora dentro de un

solo dispositivo. Los fabricantes, conscientes de la importancia de este mercado,

crearon una amplia gama de estos circuitos integrados, constituyendo familias de

microprocesadores.

En el año 1976, gracias al aumento de la densidad de integración de componentes en

un circuito integrado, salió a la luz el primer ordenador en un chip, es decir se integraron

junto con el microprocesador otros subsistemas que anteriormente formaban unidades

independientes (memoria, entradas/salidas, etc.). A este nuevo integrado se le

denominó microcomputadora monopastilla .

Cuando los sistemas basados en microprocesadores se especializan en aplicaciones

industriales, aparece la versión industrial de la microcomputadora monopastilla, el

microcontrolador (mC). Estos dispositivos producen un obvio beneficio en

aplicaciones pequeñas. Su característica más sobresaliente es que son sistemas

integrados.

2.2.2 DEFINICIÓN DE MICROCONTROLADOR

Es un circuito integrado que contiene todos los componentes de un computador. Se

emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido a su

reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Esta

última característica es la que le confiere la denominación de «controlador incrustado»

(embedded controller). Se dice que es “la solución en un chip” porque su reducido

tamaño minimiza el número de componentes y el coste.

El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un

programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de

Fundamento Teórico

46

entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a

controlar. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para

gobernar la tarea asignada.

“Un microcontrolador es un computador completo, aunque de limitadas prestaciones,

que está contenido en el chip de un circuito integrado y se designa a gobernar una sola

tarea”.

El número de productos que funcionan en base a uno o varios microcontroladores

aumenta de forma exponencial. Casi todos los periféricos del computador (ratón,

teclado, impresora, etc.) son regulados por el programa de un microcontrolador. Los

electrodomésticos de línea blanca (lavadoras, hornos, etc.) y de línea marrón

(televisores, videos, aparatos de música, etc.) incorporan numerosos

microcontroladores. Igualmente, los sistemas de supervisión, vigilancia y alarma en los

edificios utilizan estos chips para optimizar el rendimiento de ascensores, calefacción,

alarmas de incendio, robo, etc. Ofrecen la única solución práctica a muchos problemas

de diversos campos:

1. Periféricos y dispositivos auxiliares de los computadores.

2. Electrodomésticos.

3. Aparatos portátiles y de bolsillo (tarjetas, monederos, teléfonos, etc.)

4. Máquinas expendedoras y juguetería.

5. Instrumentación.

6. Industria de automoción (Figura 6-1).

7. Control industrial y robótica.

8. Electromedicina.

9. Sistema de navegación espacial.

10. Sistemas de seguridad y alarma, domótica en general.

Fundamento Teórico

Figura 2.2

2.2.3 DIFERENCIA ENTRE

El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso

(CPU), también llamada procesador de un computador. Al microprocesador se le

conecta la Memoria y Módulos de E/S para configurar un co

varios circuitos integrados.

Un microprocesador es un sistema

construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los

módulos necesarios. Un microcontrolad

computador completo y de prestaciones limitadas que no se puede modificar.

Sistema antirrobo

Figura 2.2 3. Aplicaciones de microcontroladores en un automóvil.

2.2.3 DIFERENCIA ENTRE MICROCONTROLADOR Y MICROPROCESADOR



conecta la Memoria y Módulos de E/S para configurar un computador implementado por

varios circuitos integrados.

Un microprocesador es un sistema abierto (configuración variable) con el que puede


módulos necesarios. Un microcontrolador es un sistema cerrado


47

Aplicaciones de microcontroladores en un automóvil.

MICROCONTROLADOR Y MICROPROCESADOR



mputador implementado por

(configuración variable) con el que puede


cerrado que contiene un


Panel de instrumentos Control de velocidad Sistema de navegación Control climatización

Control del motor

Antideslizamiento

Fundamento Teórico

48

Figura 2.24 (a) Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. (b) Microcontrolador.

Decidirse por construir el sistema con el microprocesador, o utilizar directamente el

microcontrolador dependerá de la economía. Si el µC está limitado por su propia CPU,

es necesario elegir un µP potente y añadir los buffers, drivers, decodificadores,

memorias, etc. pertinentes. Generalmente, salvo que la aplicación exija grandes

prestaciones, el µC será una solución válida, con la ventaja de que reduce el espacio y

el hardware.

µP

Memoria Controlador 2 Controlador 1

Bus de datos

Bus de control

Periférico Periférico

(a)

µC Periféricos Periféricos

(b)

Bus de direcciones

Fundamento Teórico

49

2.2.4 FABRICANTES

Gran parte de los fabricantes de circuitos integrados disponen de su propia línea de

microcontroladores. En la Tabla 2.3. se relacionan los fabricantes más destacados.

Tabla 2.3. Algunos fabricantes de µC.

FABRICANTE

Motorola

Microchip

Nec

Hitachi

St-Microelectronics

Infineon

Mitshubishi

Philips

Toshiba

Atmel

Zilog

Fujitsu

Matsushita

Dallas

Samsung

National Semiconductor

Intel

Sgs-thomson (st)

Texas instruments

Cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número de modelos

diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos, de forma que es posible

Fundamento Teórico

50

seleccionar la capacidad de la memoria, el número de líneas de E/S, la cantidad y

potencia de elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento, etc.

Se considera a Intel como el padre de los microcontroladores y al 8048 como el primer

microcontrolador de 8 bits (fabricado por Intel en la década de los 70). Otra de las

principales empresas del mundo de dispositivos programables es Motorola , que

dispone del potente microcontrolador 68HC11. Los microcontroladores PIC de la

empresa americana Microchip se emplean en la actualidad cada vez más debido a su

reducido consumo, bajo coste, pequeño tamaño, facilidad de uso y la abundancia de

información y herramientas de apoyo.

2.2.5 ARQUITECTURA INTERNA DE UN MICROCONTROLADOR

Un microcontrolador posee todos los componentes de un computador, pero con

características fijas que no se pueden alterar.

Las partes principales son:

Procesador o Unidad Central de Proceso (CPU).

Memoria no volátil para contener el programa.

Memoria de lectura y escritura para guardar los datos.

Líneas de E/S para los periféricos (comunicación serie, paralela, etc.).

Recursos auxiliares:

Circuito de reloj.

Temporizadores.

Perro guardián (Watchdog).

Convertidores A/D y D/A.

Comparadores analógicos.

Protección ante fallos de alimentación.

Estado de reposo en bajo consumo.

La comunicación entre las principales secciones de un sistema computador (basado en

microcontrolador o en microprocesador) tiene lugar sobre un cierto número de buses .

Fundamento Teórico

51

Un bus está compuesto de líneas paralelas de datos que permiten flujo de información

en uno o ambos sentidos (se pueden considerar un conjunto de conductores paralelos).

La Figura 2.25. muestra la estructura de buses de un sistema típico. Se usan tres

buses:

Bus de datos. Se emplea para transferir datos. El número de líneas de este bus

igual a la longitud de palabra del dispositivo.

Bus de direcciones. Permite transferir información de direcciones. El número de

líneas en el bus de direcciones determina el número de posiciones de memoria

que el procesador puede especificar. Un bus de direcciones de 8 líneas sería

capaz de posicionar sólo 28 (256) direcciones.

Bus de control. El procesador utiliza las líneas del bus de control para

sincronizar operaciones con componentes externos.

Memoria

Unidad central de procesos

(CPU)

Entrada/Salida

Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de control

Figura 2.25. Sistema de buses.

Por ejemplo, si el procesador o microcontrolador deseara almacenar una palabra de

datos en una ubicación de memoria particular, colocaría los datos en el bus de datos, la

dirección en la que se van a almacenar los datos en el bus de direcciones y diversas

señales de control para sincronizar la operación de almacenamiento en el bus de

control.

Fundamento Teórico

52

2.2.5.1 PROCESADOR

Es el elemento más importante del microcontrolador tanto a nivel hardware como

software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código OP

(opcode) de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación

aritmética o lógica que implica la instrucción, así como la búsqueda de los operandos y

el almacenamiento del resultado.

La necesidad de conseguir rendimientos elevados en el procesamiento de las

instrucciones ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de

arquitectura Hardvard , frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de Von

Neuman . Esta última se caracteriza porque la CPU se conectaba a una memoria única

donde coexistían datos e instrucciones a través de un sistema de buses. En la

arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de

datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esto propicia

el paralelismo, Figura 2.26. .

Memoria

datos

Procesador

Memoria

Programa

Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de control

Bus de datos de memoria de programa

Bus de direcciones de memoria de programa

Figura 2.26. Arquitectura Hardvard.

Fundamento Teórico

53

2.2.5.2 ALMACENAMIENTO Y EJECUCIÓN DEL PROGRAMA

Un programa es una lista de instrucciones al procesador. Todos los mP y mC tiene un

conjunto de instrucciones que pueden ejecutar. Cada tipo de procesador y controlador

tiene su propio conjunto de instrucciones, y por lo general los programas escritos para

una máquina no funcionarán en otra.

Un mC típico tendrá instrucciones para: transferir información entre registros y memoria;

realizar operaciones aritméticas y lógicas; efectuar comparaciones y pruebas sobre el

contenido de sus registros de memoria; controlar la secuencia de ejecución de

programas.

Por lo general la operación que una instrucción ha de ejecutar está definida por un

código de operación, (en mC sencillos generalmente de un solo byte) conocido

también como opcode . Algunas instrucciones requieren además del opcode

información extra (operandos ). Por ejemplo, una instrucción para almacenar el

contenido de un registro en una posición de memoria, necesitará incluir la dirección de

memoria de destino.

La unidad de control y decodificación de instrucciones es el corazón del procesador. Es

la encargada de extraer de forma secuencial las instrucciones de la memoria y luego

ejecutarlas. Unido a la unidad de control se encuentra un generador de reloj , que

utiliza un oscilador para producir una señal de reloj muy precisa. El tiempo se divide en

un cierto número de ciclos de reloj.

El funcionamiento de la unidad de control y decodificación de instrucciones se puede

dividir en dos partes (ambas duran varios ciclos de reloj):

Ciclo de búsqueda de instrucciones . En él se transfiere la dirección de la

siguiente instrucción al bus de direcciones, se envía una orden de lectura a los

dispositivos de memoria a través del bus de control, se lee la información del bus

de datos, y si se trata del primer byte de una instrucción, se transfiere este byte

al registro de instrucciones.

Fundamento Teórico

54

Ciclo de ejecución de instrucciones. En él se ejecuta la instrucción. El registro

de instrucciones está conectado a un decodificador, que determina cuántos bytes

de información adicionales se requieren. Éstos se cargan mediante ciclos de

búsqueda, como se indicó con anterioridad.

Cuando la ejecución está completa, la máquina comienza automáticamente el ciclo de

búsqueda de la siguiente instrucción del programa. La ejecución es por tanto, una

secuencia continua de ciclos de búsqueda y ejecución.

El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC

(Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por tener un

repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de

las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción.

2.2.5.3 MEMORIA DE PROGRAMA

El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen

todas las instrucciones del programa de control. Como el programa a ejecutar siempre

es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Son posibles cinco tipos de

memoria:

ROM de máscara . Esta memoria se graba en el chip durante el proceso de

fabricación. Los altos costes de diseño sólo aconsejan usarla cuando se precisan

series grandes.

EPROM. En la superficie de la cápsula del microcontrolador existe una ventana

de cristal por la que se puede someter al chip a rayos ultravioletas para producir

el borrado de la memoria y emplearla nuevamente. Su coste unitario es elevado.

OTP (One Time Programmable) . Este modelo de memoria sólo se puede grabar

una vez por parte del usuario. Su bajo precio y la sencillez de la grabación

aconsejan este tipo de memoria para prototipos finales y series de producción

cortas.

Fundamento Teórico

55

EEPROM. La grabación es similar a la EPROM y OTP, pero el borrado es mucho

más sencillo al poderse ejecutar eléctricamente las veces que se quiera.

FLASH . Se trata de una memoria no volátil de bajo consumo que se puede

escribir y borrar en circuito al igual que la EEPROM, pero suele disponer de

mayor capacidad que estas últimas. El borrado sólo es posible de bloques

completos y no se puede realizar de posiciones concretas. Por sus mejores

prestaciones está sustituyendo a la memoria EPROM para contener

instrucciones.

2.2.5.4 MEMORIA DE DATOS

Los datos que manejan los programas varía continuamente y eso exige que la memoria

que los contiene deba ser de lectura y escritura. La memoria RAM estática (SRAM) es

la más apropiada aunque sea no volátil. Hay microcontroladores que poseen como

memoria de datos una memoria de escritura y lectura no volátil del tipo EEPROM. De

esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la

información.

2.2.5.5 LÍNEAS DE E/S PARA LOS CONTROLADORES DE PERIFÉRICOS

A excepción de las patillas destinadas a recibir la alimentación, el cristal que regula la

frecuencia de trabajo y el reset, las restantes patillas de un microcontrolador sirven para

la comunicación con los periféricos externos.

2.2.5.6 RECURSOS AUXILIARES

Según las aplicaciones cada modelo de microcontrolador incorpora una diversidad de

complementos que refuerzan la potencia del dispositivo. Entre los más comunes se

encuentran:

Circuito de reloj, encargado de generar los impulsos que sincronizan el

funcionamiento de todo el sistema.

Fundamento Teórico

Temporizadores, orientados a controlar tiempos.

Perro guardián (watchdog

programa se queda bloqueado.

Conversores A/D y D/A para poder recibir y enviar señales analógicas.

Estado de reposo, en el que el consumo de energía se reduce al mínimo.

2.3 EL MICROCONTROLADOR

Figura 2.27.

Para la selección de la tarjeta se decidió trabajar con el microcontrolador PIC16F877

figura 2.27, por las siguientes características:

Su gran cantidad de puertos de entrada y sali

hasta el puerto E, aunque no todos estos puertos son de 8 pines. En total, el PIC

cuenta con 33 pines de entrada/salida.

Su fácil adquisición en el mercado y su bajo costo.

Temporizadores, orientados a controlar tiempos.

watchdog), destinado a provocar una reinicialización cuando el

programa se queda bloqueado.



CONTROLADOR 16F877A

Figura 2.27. Aspecto físico del microcontrolador 16F877A

Para la selección de la tarjeta se decidió trabajar con el microcontrolador PIC16F877

las siguientes características:

Su gran cantidad de puertos de entrada y salida identificados desde el puerto


cuenta con 33 pines de entrada/salida.

adquisición en el mercado y su bajo costo.

56

), destinado a provocar una reinicialización cuando el



Aspecto físico del microcontrolador 16F877A

Para la selección de la tarjeta se decidió trabajar con el microcontrolador PIC16F877A,

da identificados desde el puerto A


Fundamento Teórico

57

Código de programación protegido.

Utiliza un conjunto de instrucciones resumido, en total 35 palabras.

Gran capacidad de memoria, 8K en total, lo que permite una gran capacidad de

código en su programación. A su vez cuenta con 386 bytes de memoria RAM y

256 bytes de memoria EEPROM, que lo hacen muy versátil en grandes tareas.

Por ser un dispositivo de memoria FLASH es muy fácil de programar puesto que

no necesita borrarse por medio de pantallas ultravioletas, sino que reprograma

encima del código presente en el dispositivo.

Cuenta con 2 temporizadores/contadores y un temporizador adicional utilizado

para el módulo de ancho de pulsos PWM

Tiene un módulo de comunicaciones serial USART, transmisión/recepción

universal sincrónica no sincrónica, el cual se utiliza en comunicaciones RS232.

Cuenta con 8 canales de conversión análogo/digital, los cuales hacen la

conversión de voltaje entre 0 y 5 voltios.

Gran velocidad de trabajo y bajo consumo de potencia.

Lo anterior hace de este microcontrolador un dispositivo adecuado para cumplir con

todas las funciones que requiere un PLC

2.3.1 LOS PUERTOS PARALELOS DE ENTRADA / SALIDA

El microcontrolador PIC16F877A posee 5 puertos de entrada/salida denominados

PORTA, PORTB, PORTC, PORTD y PORTE

Estos puertos son totalmente programables, es decir, sus líneas pueden ser

configuradas para trabajar como entradas o como salidas a selección del programador.

Fundamento Teórico

58

2.3.1.1 EL PUERTO A (PORTA).

El puerto A posee 6 líneas bidireccionales. Los 3 registros asociados a este puerto son:

Registro PORTA (05H)

Registro de estado del Puerto A. Cada uno de los 6 bits menos significativos

(RA5,...,RA0) de este registro están asociados a la línea física correspondiente del

puerto. Al hacer una lectura este registro lee el estado de todas los pines del puerto.

Todas las escrituras al registro son operaciones del tipo “lee modifica-escribe”, es

decir, toda escritura al puerto implica que el estado de las pins es leído, luego es

modificado y posteriormente se escribe al latch de datos del puerto.

POR,BOR - - 0 x 0 0 0 0

otros Reset - - 0 u 0 0 0 0

05h - - RA5 RA4 RA3 RA2 RA1 RA0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla2.4. Registro (05h), PORTA

Registro TRISA (85H)

Cada bit de este registro configura la dirección en que fluye la información del pin

correspondiente del puerto A, así, para k=0,1,...,5: Bit k de TRISA = 1 configura el pin

RAk del puerto A como Entrada Bit k de TRISA = 0 configura el pin RAk del puerto A

como Salida

POR,BOR - - 1 1 1 1 1 1

otros Reset - - 1 1 1 1 1 1

85h - - Registros de direcciones de datos del puerto A Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla 2.5. Registro (85h), TRISA

Todas los pines del puerto A poseen diodos de protección conectados a Vdd (contra

altos voltajes de entrada) y a Vss (contra voltajes negativos) además, manejan niveles

de entrada tipo TTL y como salidas se comportan como drivers tipo CMOS. Excepto la

Fundamento Teórico

59

pin RA4, la cual como entrada posee un Disparador Schmitt y como salida es de

Drenaje abierto, además RA4 sólo posee un diodo de protección conectado a Vss.

El Registro ADCON1 (9FH)

Los pines RA0, RA1, RA2, RA3 y RA5 están multiplexados con las entradas analógicas

AN0, AN1, AN2, AN3, AN4, de manera que antes de utilizarlas debemos configurar si

serán usadas como entradas analógicas o como entradas/salidas digitales.

En la Figura 2.28. y Figura 2.29. se muestra el detalle de implementación interna de

los pines del puerto A, mostrando la diferencia entre el pin RA4 y los demás pines del

puerto A

Figura 2.28. Pines RA0, RA1, RA2, RA3 y RA5

Fundamento Teórico

60

Figura 2.29. Pin RA4

2.3.1.2 EL PUERTO B (PORTB)

El puerto B es un puerto digital de 8 bits, todos sus pines son bidireccionales y trabaja

en forma similar al puerto A. Tiene tres registros asociados: El registro de datos

PORTB, el registro de dirección de los datos TRISB y el registro OPTION_REG.

Registro PORTB (06H, 106H)

Los ocho bits que contiene reflejan directamente el estado de las ocho pines del puerto

B RB0,...,RB7.

POR,BOR - - x x x x x X

otros Reset - - u u u u u u

06h, 106h RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla2.6. Registro (06h), PORTB

Fundamento Teórico

61

Registro TRISB (86H, 186H)

En forma similar a TRISA, al poner un 0 en un bit de TRISB se configura el pin RB

correspondiente como salida y al poner un 1 en un bit de TRISB se configura el pin RB

correspondiente como entrada.

POR,BOR - - 1 1 1 1 1 1

otros Reset - - 1 1 1 1 1 1

86h, 186h Registros de direcciones de datos del puerto B Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla2.7. Registro (86h), TRISB

Registro OPTION_REG (81H, 181H)

El bit 7 de este registro, denominado RBPU es usado para conectar/desconectar una

resistencia “pull-up” conectada a cada pin RB.

Poniendo un 0 en este bit todas las resistencias se conectan. Para desconectar las

resistencias “pull-up” se debe poner este bit en 1, también se desconectan

automáticamente cuando el pin correspondiente es configurado como salida. Un reset

desconecta todas las resistencias.

Pines RB4,...,RB7

Estos cuatro pines del puerto B tienen la capacidad de generar una solicitud de

interrupción a la CPU cuando están configuradas como entradas. El estado de estos

pines es comparado con el último estado que tenían durante la última lectura de

PORTB, guardado en un latch. Los bits que indican que hay una diferencia entre estos

valores por cada pin están conectados a una puerta OR cuya salida activa el bit RBIF

del registro INTCON solicitando con esto una interrupción. Esta interrupción es

especialmente útil para despertar al dispositivo de su estado de SLEEP cuando alguna

de las cuatro líneas es activada, por ejemplo, en respuesta a la presión de una tecla.

Esta característica de solicitud de interrupción cuando se detecta un cambio junto con

las resistencias “pull-up” configurables para estos cuatro pines, las hacen ideales para

el manejo de teclados en dispositivos portátiles que requieren “dormirse” durante largos

Fundamento Teórico

62

ratos para economizar baterías y “despertarse” cuando una tecla es presionada. En la

Figura 2.30. y Figura 2.31. se muestra la conexión interna de los pines del puerto B.

D Q

CK Q

D Q

CK Q

Data Bus

WR Port

WR TRIS

Data Latch

TRIS Latch

RD TRIS

VDD

P

I/O pin (1)

TTL

Input

Buffer

RD PORT

RBO/INT

RB3/PGM

DQ

EN

RBPO (2)

RD PORT

Schmitt Trigger

Buffer

weak pull-up

Note 1: I/O pins have diode protection to VDD and VSS.

2: To enable weak pull-ups, set the appropriate TRIS bit(s) and clear the RBPU bit (OPTION_REG<7>).

Figura 2.30 . Pines RB0, RB1, RB2, RB3

Figura 2.31. Pines RB4, RB5, RB6, RB7

Fundamento Teórico

63

2.3.1.3 EL PUERTO C (PORTC)

El puerto C consta de 8 líneas bidireccionales. Trabaja en forma similar a los dos

puertos anteriores y tiene asociados los registros:

Registro PORTC (07H)

Es el registro de datos cuyos 8 bits RC7,RC6,...,RC0 reflejan directamente el valor

lógico de las líneas físicas del puerto C.

POR,BOR - - x x x x x X


07h RC7 RC6 RC5 RC4 RC3 RC2 RC1 RC0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla 2.8. Registro (07h), PORTC

Registro TRISC(87H)

Registro de control de dirección de las líneas del puerto C. Poniendo un 1 en un bit del

registro TRISC se configura la línea correspondiente como entrada y poniendo un 0 se

configura la línea correspondiente como salida.

POR,BOR - - 1 1 1 1 1 1

otros Reset - - 1 1 1 1 1 1

87h Registros de direcciones de datos del puerto C Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla2.9. Registro (87h), TRISC

Las líneas del puerto C se encuentran multiplexadas con varias líneas controladas por

otros periféricos, cuando se habilita la línea del periférico respectivo puede ser ignorada

la configuración de TRISC, de hecho, algunos periféricos configuran la línea como

salida mientras que otros la configuran como entrada.

Cada entrada del puerto C posee un buffer con disparador Schmitt. Además, cuando se

selecciona la función I2C, las pins PORTC<4,3> pueden ser configuradas con niveles

I2C o con niveles SMBus mediante el bit CKE del registro SSPSTAT<6>, como se

muestra en la Figura 2.32. y Figura 2.33. :

Fundamento Teórico

64

Figura 2.32. Pines RC7, RC6, RC5, RC2, RC1 y RC0 del puerto C

Figura 2.33. Pines RC4 y RC3 del puerto C

Fundamento Teórico

65

2.3.1.4 LOS PUERTOS D Y E (PORTD, PORTE)

Puerto D

Es un puerto de 8 líneas configurables como entradas o salidas mediante el registro

TRISD (88H) y cuyas líneas pueden ser ingresadas mediante el registro PORTD (08H).

Cuando se configuran como entradas éstas poseen un disparador Schmitt

. POR,BOR - - x x x x x X


08h RD7 RD6 RD5 RD4 RD3 RD2 RD1 RD0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla 2.10. Registro (08h), PORTD

POR,BOR - - 1 1 1 1 1 1

otros Reset - - 1 1 1 1 1 1

88h Registros de direcciones de datos del puerto D Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla2.11. Registro (88h), TRISD

El Puerto D puede configurarse para trabajar simultáneamente con sus 8 bits como un

puerto esclavo (Parallel Slave Port) de comunicación paralela bidireccional con líneas

de protocolo proporcionadas por las tres líneas del Puerto E, para ello se deberá activar

el bit PSPMODE (TRISE<4>).

Puerto E

Sólo posee 3 líneas configurables como entradas o salidas mediante los 3 bits menos

significativos del registro TRISE (89H). Sus líneas pueden ser ingresadas mediante los

3 bits menos significativos del registro PORTE (09H). Las líneas del puerto E están

compartidas con el convertidor analógico / digital, por ello, antes de usarlas deberán ser

configuradas como entradas / salidas digitales o analógicas, según se desee en forma

similar a como se hizo con el puerto A, usando el registro de configuración ADCON1

(9FH).

Fundamento Teórico

66

POR,BOR - - - - - x x X

otros Reset - - - - - u u u

09h - - - - - RE2 RE1 RE0 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla2.12. Registro (09h), PORTE

POR,BOR - - 1 1 1 1 1 1

otros Reset - - 1 1 1 1 1 1

89h IBF OBF IBOV PSPMODE - Registros de direcciones de datos del

puerto D

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Tabla 2.13. Registro (89h), TRISE

Figura2.34. Pines del puerto D y E

2.3.2 USART

La USART del PIC puede ser configurada para operar en tres modos:

Modo Asíncrono (full duplex (transmisión y recepción simultáneas)),

Modo Síncrono – Maestro (half duplex)

Modo Síncrono – Esclavo (half duplex)

Fundamento Teórico

67

Modo Asíncrono

En este modo la USART usa un formato estándar NRZ asíncrono, el cual para la

sincronización usa: 1 bit de inicio (I), 8 o 9 bits de datos y 1 bit de paro (P). Mientras no

se están transmitiendo datos la USART envía continuamente un bit de marca. El modo

asíncrono se selecciona limpiando el bit SYNC del registro TXSTA (98H). El modo

asíncrono es deshabilitado durante el modo SLEEP.

Cada dato es transmitido y recibido comenzando por el LSB. El hardware no maneja bit

de Paridad, pero el noveno bit puede ser usado para este fin y manejado por software.

Figura 2.35. Modo Asíncrono, transmisión de datos en serie

El módulo Asíncrono de la USART consta de 3 módulos fundamentales:

• El circuito de muestreo

• El generador de frecuencia de transmisión (Baud Rate)

• El transmisor asíncrono

• El receptor asíncrono.

El circuito de muestreo, El dato en el pin de recepción (RC7/RX/DT) es muestreado tres

veces para poder decidir mediante un circuito de mayoría, si se trata de un nivel alto o

un nivel bajo.

2.3.2.1 EL GENERADOR DE BAUD RATE (BRG)

Este generador sirve tanto para el modo síncrono como el asíncrono y consiste de un

contador/divisor de frecuencia de 8 bits controlado por el registro SPBRG (99H).

De tal manera que la frecuencia de transmisión se calcula de acuerdo a la siguiente

tabla:

Fundamento Teórico

68

Tabla 2.14. Formula del Baud Rate

SYNC BRGH=0 (baja velocidad) BRGH=1 (Alta velocidad)

0 (modo asíncrono) Baud rate=Fosc/(64(X+1)) Baud rate=Fosc/(16(X+1))

1 (modo síncrono) Baud rate=Fosc/(4(X+1)) -

X=valor de SPBRG (0 a 255)

Tabla 2.15. Baud Rates para modo asíncrono (BRGH = 0)

BAUD

RATE

(K)

FOSC = 20 MHz FOSC = 16 MHz FOSC = 10 MHz

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

0.3

1.2

2.4

9.6

19.2

28.8

33.6

57.6

HIGH

LOW

-

1.221

2.404

9.766

19.531

31.250

34.722

62.500

1.221

321.500

-

1.75

0.17

1.73

1.72

8.51

3.34

8.51

-

-

-

255

129

31

15

9

8

4

255

0

-

1.202

2.404

9.615

19.231

27.778

35.714

62.500

0.977

250.000

-

0.17

0.17

0.16

0.16

3.55

6.29

8.51

-

-

-

207

103

25

12

8

6

3

255

0

-

1.202

2.404

9.766

19.531

31.250

31.250

52.083

0.610

156.250

-

0.17

0.17

1.73

1.72

8.51

6.99

9.58

-

-

-

129

64

15

7

4

4

2

255

0

BAUD

RATE

(K)

FOSC = 4 MHz FOSC = 3.6864 MHz

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

0.3

1.2

2.4

9.6

19.2

28.8

33.6

57.6

HIGH

LOW

0.300

1.202

2.404

8.929

20.833

31.250

-

62.500

0.244

62.500

0

0.17

0.17

6.99

8.51

8.51

-

8.51

-

-

207

51

25

6

2

1

-

0

255

0

0.301

1.216

2.432

9.322

18.643

-

-

55.930

0.218

55.930

0.33

1.33

1.33

2.90

2.90

-

-

2.90

-

-

185

46

22

5

2

-

-

0

255

0

Fundamento Teórico

69

Tabla 2.16. Baud Rates para modo síncrono (BRGH = 1)

BAUD

RATE

(K)

FOSC = 20 MHz FOSC = 16 MHz FOSC = 10 MHz

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

0.3

1.2

2.4

9.6

19.2

28.8

33.6

57.6

HIGH

LOW

-

-

-

9.615

19.231

29.070

33.784

59.524

4.883

1250.000

-

-

-

0.16

0.16

0.94

0.55

3.34

-

-

-

-

-

129

64

42

36

20

255

0

-

-

-

9.615

19.231

29.412

33.333

58.824

3.906

1000.000

-

-

-

0.16

0.16

2.13

0.79

2.13

-

-

-

-

103

51

33

9

16

255

0

-

-

2.441

9.615

19.531

28.409

32.895

56.818

2.441

625.000

-

-

1.71

0.16

1.72

1.36

2.10

1.36

-

-

-

-

255

64

31

21

18

10

255

0

BAUD

RATE

(K)

FOSC = 4 MHz FOSC = 3.6864 MHz

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

KBAUD

%

ERROR

SPBRG

value

(decimal)

0.3

1.2

2.4

9.6

19.2

28.8

33.6

57.6

HIGH

LOW

-

1.202

2.404

9.615

19.231

27.798

35.714

62.500

0.977

250.000

-

0.17

0.17

0.16

0.16

3.55

6.29

8.51

-

-

-

207

103

25

12

8

6

3

255

0

-

1.203

2.406

9.727

18.643

27.965

31.960

55.930

0.874

273.722

-

0.25

0.25

1.32

2.90

2.90

4.88

2.90

-

-

-

185

92

22

11

7

6

3

255

0

Debido a que el divisor es de 8 bits, no se puede tener cualquier velocidad de

transmisión deseada, ya que X se deberá redondear al entero más cercano. En las dos

tablas anteriores se muestran algunos valores baud estándares, el divisor necesario

(X=SPBRG) bajo diferentes frecuencias Fosc y el error producido en porcentaje

2.3.2.2 EL TRANSMISOR ASÍNCRONO

En la Figura 2.36. se muestra el diagrama de bloques del transmisor de la USART. El

corazón de este módulo es el registro de desplazamiiento (transmit shift register, TSR).

La única manera de acceder al registro TSR es a través del registro TXREG (19H).

Fundamento Teórico

70

Para transmitir un dato, el programa deberá ponerlo primero en el registro TXREG. En

cuanto el TSR termina de enviar el dato que tenía (en cuanto transmite el bit de stop)

lee el dato contenido en TXREG (si hay alguno) esto ocurre en un ciclo TCY. En cuanto

el dato de TXREG es transferido al TSR el TXREG queda vacío esta condición es

indicada mediante el bit bandera TXIF (que es el bit 4 del registro PIR1 (0Ch)), el cual

se pone en alto. Este bit no puede ser limpiado por software, sólo dura un instante en

bajo cuando se escribe un nuevo dato a TXREG. Si se escribe un dato seguido de otro

(back to back) a TXREG el primero se transfiere inmediatamente a TSR y el otro tiene

que esperar hasta que el TSR termine de enviar el bit de Stop del primero. Durante esta

espera TXIF permanece en bajo.

Figura 2.36. Diagrama de bloques del transmisor de la USART

Para habilitar el módulo de transmisión es necesario poner en alto el bit TXEN

(TXSTA<5>), mientras no se habilite el módulo, el pin de transmisión (RC6/TX/CK) se

mantiene en alta impedancia. Si TXEN es deshabilitado a la mitad de una transmisión,

está será abortada y el transmisor será reseteado.

Si se está usando un noveno bit TX9 (TXSTA<6>), éste deberá ser escrito antes de

escribir los 8 bits restantes a TXREG, ya que en cuanto se escribe un dato a este

registro inmediatamente es transferido a TSR (si éste está vacío).

Fundamento Teórico

71

De acuerdo a lo anterior, la inicialización del módulo de transmisión consiste en los

siguientes pasos:

1. Inicializar baud rate escribiendo al registro SPBRG el divisor adecuado y

opcionalmente al bit BRGH.

2. Habilitar comunicación asíncrona limpiando el bit SYNC y poniendo el bit

SPEN.

3. Si se van a usar interrupciones, poner el bit TXIE (PIE<4>).

4. Poner el bit TX9 si se desea transmitir datos de 9 bits

5. Habilitar transmisión poniendo el bit TXEN, lo cual pondrá el bit TXIF.

6. Colocar el noveno bit del dato en TX9D si se están usando datos de 9 bits.

7. Cargar el dato al registro TXREG (inicia la transmisión).

2.3.2.3 EL RECEPTOR ASÍNCRONO

El módulo de recepción es similar al de transmisión, en la Figura 2.37. se muestran los

bloques que lo constituyen. Una vez que se ha seleccionado el modo asíncrono, la

recepción se habilita poniendo en alto el bit CREN (RCSTA<4>)

El dato es recibido mediante la línea RC7/RX/DT, la cual maneja un registro de

desplazamiento de alta velocidad (16 veces el Baud rate).

El corazón del receptor es el registro de corrimiento RSR. Este registro no es accesible

por software, pero, cuando el dato recibido se ha completado (se ha recibido el bit de

Stop) el dato de RSR es transferido automáticamente al registro RCREG (1Ah) si éste

está vacío y al mismo tiempo es puesto en alto la bandera de recepción RCIF

(PIR1<5>). La única manera de limpiar la bandera RCIF es leyendo el los datos del

registro RCREG. El registro RCREG puede contener hasta dos datos, ya que es un

buffer doble que funciona como una cola de dos posiciones.

Si las dos posiciones del registro RCREG están llenas (no han sido leídas) y se detecta

el bit de Stop de un tercer dato de recepción, lo cual ocasiona un transferencia

automática del dato recibido a RCREG, esto destruirá el primer dato recibido y activará

Fundamento Teórico

72

el indicador de sobreescritura OERR (RCSTA<1>). Para evitar esto, se deberán leer los

dos datos en RSREG haciendo dos lecturas consecutivas.

La única manera de limpiar el bit OERR una vez que ha sido activado es reseteando el

módulo de recepción (limpiando CREN y volviéndolo a poner), si no se limpia OERR se

bloquea la transferencia de datos de RSR a RCREG y no puede haber más recepción

de datos.

Figura 2.37. Diagrama de bloques del receptor de la USART

Si se detecta un bit nivel bajo en la posición del bit de stop se pone el indicador de error

de encuadre (frame error) FERR RCSTA<2>. Tanto este indicador como el noveno bit

RX9D de los datos están en una cola de dos posiciones al igual que los datos recibidos,

de manera que al leer RCREG se actualizan FERR y RX9D con nuevos valores, por lo

cual estos bits deberán ser leídos antes de leer RCREG para no perder su información.

De acuerdo a lo anterior, la inicialización del módulo de recepción es como sigue:

Fundamento Teórico

73

1. Inicializar el baud rate escribiendo al registro SPBRG el divisor adecuado y

opcionalmente al bit BRGH.

2. Habilitar el puerto serie asíncrono limpiando el bit SYNC y poniendo el bit

SPEN.

3. Si se van a usar interrupciones, poner el bit RCIE (PIE<5>).

4. Si se desea recepción de datos de 9 bits se deberá poner el bit RX9

(RCSTA<0>).

5. Habilitar la recepción poniendo el bit CREN (RCSTA<4>)

6. El bit RCIF se pondrá cuando la recepción de un dato se complete y se

generará una interrupción si RCIE está puesto.

7. Leer el registro RCSTA para obtener el noveno bit (si se están recibiendo

datos de 9 bits) o para determinar si ha ocurrido un error de recepción.

8. Leer los 8 bits del dato recibido leyendo el registro RCREG.

9. Si ocurrió algún error este se limpia al limpiar el bit CREN, el cual deberá

volver a ponerse si se desea continuar la recepción.

2.3.3 EL MÓDULO TEMPORIZADOR

El PIC 16F877A posee un módulo para el manejo preciso y eficiente de operaciones

que involucran tiempo o conteo. Este módulo consta de:

Tres contadores/temporizadores denominados TMR0, TMR1 y TMR2

Dos módulos CCP (Captura, Comparación y PWM (Modulación de ancho de

pulso) denominados CCP1 y CCP2

En la Tabla 2.17. se resumen las principales características de los módulos

mencionados:

Tabla 2.17. Características de los timers del pic 16F877A

Módulo Características

TMR0

- TMR0 es un Contador/Temporizador de 8 bits

- Leíble y escribible

- Reloj interno o externo

- Selección de flanco activo en el reloj externo

- Preescalador de 8 bits programable

Fundamento Teórico

74

- Solicitud de interrupción opcional en el desbordamiento (de FFh a

00h)

TMR1



- Reloj interno o externo

- Solicitud de interrupción opcional en el desbordamiento (de FFFFh

a 0000h)

- Reinicialización opcional desde los módulos CCP

TMR2


- Dispone de un registro de periodo de 8 bits (PR2)


- Preescalador programable

- Postescalador programable

- Solicitud de interrupción opcional al coincidir TMR2 y PR2

- Posibilidad de generar impulsos al módulo SSP (puerto serie

síncrono)

CCP1 y

CCP2

- Modo de captura

- Modo de comparación

- Modo PWM (modulación de ancho de pulso)

2.3.3.1 EL MÓDULO DEL TIMER 0

El Timer 0 es un contador / temporizador de 8 bits. El registro principal de este módulo

es TMR0 (01h, 101h) . Este registro se incrementa continuamente a una frecuencia

seleccionable manejada por un preescalador y el reloj interno Fosc/4 (modo

temporizador ) o bien, por un preescalador y una señal externa (modo contador ).

En la Figura 2.37. se muestra un diagrama de bloques de este módulo, en donde se

indican los bits que afectan su operación y la manera en que lo hacen.

Fundamento Teórico

75

Figura 2.38 Diagrama d bloques del TIMER0/WDT preescalador

2.3.3.1.1 EL MODO TEMPORIZADOR

En el modo temporizador la señal de reloj que controla el incremento del registro TMR0

es la frecuencia Fcy = Fosc/4, la cual puede ser dividida opcionalmente por el

preescalador si así se desea. Como se puede ver en la Figura 2.38. , este modo es

seleccionado al limpiar el bit T0CS (OPTION_REG<5>). En este modo, el contenido del

registro TMR0 se incrementará a la frecuencia Fcy dividida de acuerdo al preescalador,

sin embargo, si se realiza una escritura al registro TMR0, su incremento es inhibido por

los siguientes dos ciclos de instrucción (Tcy).

2.3.3.1.2 EL MODO CONTADOR

En el modo contador, la señal que controla los incrementos del registro TMR0 es una

señal externa que proviene del pin T0CKI. En la Figura 2.38. se puede ver que este

modo se selecciona poniendo el bit T0CS en alto. Se puede seleccionar la transición

que provoca los incrementos mediante el bit “Timer0 Source Edge Select“ T0SE

(OPTION_REG<4>), limpiando este bit se selecciona la transición de subida, mientras

que al ponerlo en alto se selecciona la de bajada.

Fundamento Teórico

76

2.3.3.1.3 EL PREESCALADOR

El preescalador es un divisor de frecuencia de módulo seleccionable. Como se puede

ver en la Figura 2.38. , el preescalador está compartido entre el timer0 y el módulo

watchdog, sin embargo sólo puede conectarse a uno de los dos y esto se establece

mediante el bit PSA (OPTION_REG<3>), así, con este bit en alto el preescalador es

asignado al reloj del watchdog, mientras que con un nivel bajo en PSA el preescalador

dividirá la frecuencia que maneja al timer 0.

La selección del módulo (valor de división de frecuencia) del preescalador se puede

realizar mediante los bits PS2,PS1,PS0 (OPTION_REG<2:0>) de acuerdo a la siguiente

tabla:

Tabla 2.18 . Selección de bits del preescalador

PS2 PS1 PS0

Divisor

(timer 0)

Divisor

(Watchdog)

000 1/2 1/1

001 1/4 1/2

010 1/8 1/4

011 1/16 1/8

100 1/3 1/16

101 1/64 1/32

110 1/128 1/64

111 1/256 1/128

2.3.4 MANEJO DE INTERRUPCIONES

Se le llama interrupción a un salto especial a una subrutina que no está contemplado en

un punto específico del programa principal, sino que puede ocurrir en cualquier punto

de éste y no es provocado por una instrucción en el programa, sino por un evento

interno o externo al sistema del microcontrolador.

Fundamento Teórico

77

Los dispositivos que manejan eventos capaces de provocar una solicitud de interrupción

se denominan fuentes de interrupción. El microcontrolador PIC16F877A cuenta con

hasta 14 fuentes de interrupción.

Cada fuente de interrupción posee dos bits asociados a ella:

Una Bandera (terminada en F) de Interrupción, la cual es activada (en alto)

por el evento para solicitar una interrupción.

Una Máscara (terminada en E) Local de Interrupción, la cual si está

desactivada (en bajo) bloqueará la solicitud de interrupción correspondiente,

pero si está activada (en alto) permitirá la solicitud de Interrupción.

Además existe una máscara de interrupción global GIE (INTCON<7>), la cual

bloqueará todas las solicitudes de interrupción si está desactivada (GIE=0).

Algunas fuentes de interrupción también poseen una segunda máscara de

interrupción global denominada PEIE (INTCON<6>). De hecho, actúa sobre

todas las fuentes de interrupción, excepto las interrupciones debidas a la pin

INT, el sobreflujo del Timer 0 y las interrupciones del puerto B (INTF, T0IF y

RBIF).

De acuerdo a lo anterior, la única manera en que una solicitud de interrupción provoca

en efecto una interrupción en el programa es cuando:

La máscara global está activada (GIE=1).

(En su caso) la máscara global de periféricos está activada (PEIE=1)

La máscara local está activada

Ocurre un evento que activa la bandera correspondiente.

La lógica de activación de máscaras y banderas descrita arriba puede entenderse en

términos del diagrama lógico mostrado en la Figura 2.39. En este diagrama se

muestran las 14 fuentes de interrupción del PIC16F877A y se usan los nombres

específicos de cada fuente de interrupción para sus respectivas banderas y máscaras

de interrupción.

Fundamento Teórico

78

Figura 2.39. Diagrama de interrupción lógica

Proceso de reconocimiento de una interrupción

Cuando se cumplen las siguientes tres condiciones simultáneamente:

El bit GIE está activado (en alto)

Se produce un evento que solicita interrupción (se activa alguna de las

banderas de interrupción)

Está activada la máscara correspondiente a la bandera activada.

Entonces la CPU es interrumpida inmediatamente y ejecuta lo siguiente:

Termina la ejecución de la instrucción actual.

Desactiva el bit GIE (GIE=0) para bloquear cualquier otra solicitud de

interrupción.

La dirección de programa de la siguiente instrucción a ejecutar es guardada

en el stack.

Fundamento Teórico

79

Ejecuta un salto a la localidad de programa 0004h denominada vector de

interrupción, en donde el usuario deberá haber colocado el inicio de la rutina

de atención a la interrupción.

Ejecuta la rutina de atención a la interrupción escrita por el usuario, en la cual

éste podrá constatar la fuente de interrupción consultando por poleo las

banderas de interrupción.

La rutina de atención a la interrupción deberá limpiar los bits de la bandera

que solicitó la interrupción antes de rehabilitar interrupciones, para evitar

interrupciones recursivas.

La rutina de atención deberá terminar con una instrucción RETFIE, la cual

activa nuevamente el bit GIE (GIE=1) y lee el stack para continuar la

ejecución del programa que fue interrumpido en la siguiente instrucción.

Salvando el contexto durante una interrupción

Dado que el programa principal no puede prever en qué punto será interrumpido, la

rutina de atención a la interrupción debe ser tal que no altere ninguno de los registros

que requiere paso a paso el programa principal para su operación normal. Estos

registros son los que van guardando el contexto del programa (tal como en qué banco

está, el resultado de la última operación, etc.) y son:

Registro STATUS

Registro W

Registro PCLATH (si se están usando las páginas 1, 2 ó 3).

Fundamento Teórico

80

2.4 BOOTLOADER

Bootloader es una aplicación que desarrolló microchip para poder grabar programas

rápidamente en el PIC, en unos cuantos segundos, sin necesidad de tener un grabador.

Es un programa pequeño (2160 bytes en este caso) que permite descargar programas

al PIC usando únicamente el puerto serie, sin ningún hardware adicional.

Solo es necesario utilizar un grabador de PIC una vez, para grabar el programa

Bootloader. Se puede hacerlo con un grabador prestado. Una vez cargado el

Bootloader en el PIC ya se puede descargar en él los programas vía serie, sin

necesidad de grabador, todas las veces que se quiera. Si el hardware incorpora puerto

serie no es necesario quitar el PIC de su zócalo: usando el puerto serie del proyecto se

hace la correspondiente descarga.

El Bootloader se carga en el final de la memoria flash del programa del PIC y coloca el

vector de interrupción de arranque apuntándolo. Arranca cuando se alimenta el

procesador y espera un comando por el puerto serie. Si no lo recibe continua con la

ejecución normal del programa. Si lo recibe comienza a recibir un programa por el

puerto serie y a grabarlo en la flash de programa del PIC.

Es necesario tener el Bootloader configurado para el hardware y cargado en el PIC, una

conexión serie con el PC y el programa descargador.

El único inconveniente es modificar los programas para que puedan trabajar con el

Bootloader. Según el entorno de desarrollo Mplab, CCS, Hitech-C etc., las

modificaciones suelen incluir unas pocas líneas de código.

Además no se pueden usar los últimos 2160 bytes de memoria (en un PIC16F877A de

8K de memoria es el 27 % inutilizable)

Fundamento Teórico

81

2.5 PROTOCOLO RS232

El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma más

común usada para realizar transmisiones de datos entre ordenadores. El RS-232C es

un estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta

por la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas), realizándose posteriormente un

versión internacional por el CCITT, conocida como V.24. Las diferencias entre ambas

son mínimas, por lo que a veces se habla indistintamente de V.24 y de RS-232C

(incluso sin el sufijo "C"), refiriéndose siempre al mismo estándar.

El RS-232C consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal

encontrar la versión de 9 pines DB-9, mas barato e incluso más extendido para cierto

tipo de periféricos (como el ratón serie del PC). En cualquier caso, los PCs no suelen

emplear más de 9 pines en el conector DB-25. Las señales con las que trabaja este

puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V (1 lógico), para la entrada y salida

de datos, y a la inversa en las señales de control. El estado de reposo en la entrada y

salida de datos es -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es

posible tener cables de hasta 15 metros.

Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función específica cada uno

de ellos. Las más importantes son:

Tabla 2.19. Descripción de los pines de entrada y salida del protocolo RS-232C

Pin Función TXD (Transmitir Datos)

RXD (Recibir Datos)

DTR (Terminal de Datos Listo)

DSR (Equipo de Datos Listo)

RTS (Solicitud de Envío)

CTS (Libre para Envío)

DCD (Detección de Portadora)

Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD son

de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (Tierra de Señal).

Fundamento Teórico

Tabla 2.20 . Comparación de los números de pines de DB

NúmeroEn DB-25

1 2 3 4 5 6 7 8

15 17 20 22 24

(*) = Normalmente no conectados en el DB

Figura 2.40. Aspecto físico de los conectores DB9 y conteo de pines, izquierda macho, derecha hembra

Comparación de los números de pines de DB-25 y DB-9, respecto al pr

mero de Pin Señal Descripción 25 En DB-9

1 - Masa chasis 3 TxD Transmit Data 2 RxD Receive Data 7 RTS Request To Send 8 ºCTS Clear To Send 6 DSR Data Set Ready 5 SG Signal Ground 1 CD/DCD (Data) Carrier Detect- TxC(*) Transmit Clock - RxC(*) Receive Clock 4 DTR Data Terminal Ready9 RI Ring Indicator - RTxC(*) Transmit/Receive Clock

(*) = Normalmente no conectados en el DB-25

Aspecto físico de los conectores DB9 y conteo de pines, izquierda macho, derecha hembra

82

9, respecto al protocolo RS232C

E/S

- S E

S E

E -

(Data) Carrier Detect E S E

Data Terminal Ready S E

Transmit/Receive Clock S

Aspecto físico de los conectores DB9 y conteo de pines, izquierda macho, derecha hembra

Fundamento Teórico

2.6 MAX232

Este circuito soluciona los problemas de niveles de

unas señales digitales sobre una línea RS

aplicaciones donde no se disp

necesita solamente una fuente de +5V para su operación, inte

elevador de voltaje que convierte el

-12V. Cabe mencionar que existen una gran variedad de CI que cumplen con la norma

RS-232 como lo son: MAX220, DS14C232, MAX233, LT1180A.

El MAX232 dispone internamente de 4 conversores de niveles TTL al bus standard

RS232 y viceversa, para comunicación serie como los usados en los ordenadores.

El circuito integrado lleva internamente 2 conversores de nivel de TTL a RS232 y otros

2 de RS232 a TTL con lo que en total podremos manejar 4 señales del puerto ser

PC, por lo general las má

usadas para el protocolo handshaking pero no es imprescindible su uso. Para que el

MAX232 funcione correctamente deberemos de poner unos con

todo esto se puede ver

líneas TX y RX que son las má

Figura 2.41. Aspecto Físico de MAX232

Este circuito soluciona los problemas de niveles de voltaje cuando se requiere enviar

unas señales digitales sobre una línea RS-232. Este chip se utiliza en aquellas

aplicaciones donde no se dispone de fuentes dobles de +12 y

necesita solamente una fuente de +5V para su operación, inte

elevador de voltaje que convierte el voltaje de +5V al de doble

12V. Cabe mencionar que existen una gran variedad de CI que cumplen con la norma

232 como lo son: MAX220, DS14C232, MAX233, LT1180A.

dispone internamente de 4 conversores de niveles TTL al bus standard


o integrado lleva internamente 2 conversores de nivel de TTL a RS232 y otros

2 de RS232 a TTL con lo que en total podremos manejar 4 señales del puerto ser

PC, por lo general las más usadas son; TX, RX, RTS, CTS, estas dos

el protocolo handshaking pero no es imprescindible su uso. Para que el

MAX232 funcione correctamente deberemos de poner unos con

en la siguiente figura 2.42, en la que solo se han cableado l

son las más usualmente usadas para casi cualquier aplicación:

83

voltaje cuando se requiere enviar

232. Este chip se utiliza en aquellas

one de fuentes dobles de +12 y -12 Volts. El MAX 232

necesita solamente una fuente de +5V para su operación, internamente tiene un

doble polaridad de +12V y

12V. Cabe mencionar que existen una gran variedad de CI que cumplen con la norma

dispone internamente de 4 conversores de niveles TTL al bus standard


o integrado lleva internamente 2 conversores de nivel de TTL a RS232 y otros

2 de RS232 a TTL con lo que en total podremos manejar 4 señales del puerto serie del

s usadas son; TX, RX, RTS, CTS, estas dos últimas son las

el protocolo handshaking pero no es imprescindible su uso. Para que el

MAX232 funcione correctamente deberemos de poner unos condensadores externos,

en la que solo se han cableado las

s usualmente usadas para casi cualquier aplicación:

Fundamento Teórico

C1

C2

C3

Figura 2.4

2.7 OPTOACOPLADORES PC

Figura 2.4

Un optoacoplador , también llamado

un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interrupto

mediante la luz. La mencionada luz es emitida por un

componente optoelectrónico

C1+

T1IN

R1OUT

R1IN

T1OUT

GNDVCC

R2IN

T2OUT

V-C2-C2+C1-V+

R2OUT

T2IN

C4

VCC

MAX232

RXTXRXTX

Figura 2.4 2. Diagrama de conexiones del MAX232

OPTOACOPLADORES PC817

Figura 2.4 3. Imagen física del optoacoplador PC817

, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es

un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interrupto

mediante la luz. La mencionada luz es emitida por un diodo LED

optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor

84

RXTXRXTX

RS232

TTL

Diagrama de conexiones del MAX232

Imagen física del optoacoplador PC817

o aislador acoplado ópticamente, es

un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interruptor excitado

diodo LED que satura un

fototransistor. De este modo se

Fundamento Teórico

85

combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya

conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un

encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar como medio de

protección para dispositivos muy sensibles.

Figura 2.44. Diagrama de conexiones del optoacoplador PC817

La figura 2.44, muestra un optoacoplador PC817 formado por un LED y un

fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen

una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente

proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturará,

generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con

S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.

Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la

tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el

dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida.

La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los

circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto entre ambos

circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los

dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones

de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios

miles de voltios.

Fundamento Teórico

2.8 REGULADORES DE TENSIÓN, LM

Figura 2.4

Los circuitos integrados de las familias 78XX y 79XX permiten realizar fuentes de

alimentaciones estabilizadas

y sin complicaciones.

Con la familia 78XX se pueden hacer fuentes de tensión de salida positiva respecto a la

masa del circuito, mientras que la 79XX sirve para hacer fuentes de tensión de salida

negativa respecto a la masa del circuito.

La tensión de salida proporcionada por el regulador se indica por el número que

sustituye a las “XX” en la serigrafía del circuito integrado, así un 7805 es un regulador

de 5 V, y el 7915 es un regulador de

dispone de los reguladores de tensión variados, algunos de ellos se indican en la tabla.

Se puede ver además la tensión mínima y máxima de entrada para el correcto

funcionamiento del circuito y la de salida.

REGULADORES DE TENSIÓN, LM7805 LM7812

Figura 2.4 5. Aspecto físico de los reguladores LM7805 y LM


alimentaciones estabilizadas fiables, ya sean fijas o regulables, de una manera sencilla



negativa respecto a la masa del circuito.



de 5 V, y el 7915 es un regulador de salida negativa de –15 V. En el comercio se



funcionamiento del circuito y la de salida.

86

LM7812


, ya sean fijas o regulables, de una manera sencilla





15 V. En el comercio se



Fundamento Teórico

87

Tabla 2.21 . Diferentes tipos de reguladores y tensión de salida

Como se ve, por norma general, la tensión del secundario del transformador, debe ser

como mínimo 3 V superior a la tensión nominal del regulador integrado.

Todos pueden proporcionar una corriente máxima de 0,5A y si están convenientemente

refrigerados, hasta 1A.

El símbolo de este componente se representa como un rectángulo del que salen las

conexiones de entrada, salida y masa.

Figura 2.46. Designación de pines y representación gráfica.

Tipo de

Regulador

Tensión en Voltios

Mínima Máxima Salida

7805-7905 7 25 ±5

7806-7906 8 25 ±6

7808-7908 11 25 ±8

7812-7912 15 30 ±12

7815-7915 18 30 ±15

7818-7918 21 33 ±18

7820-7920 23 35 ±22

7824-7924 27 38 ±24

Fundamento Teórico

2.9 MICRORELES

El relé o relevador , del francés

funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de

una bobina y un electroimán

permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Figura 2.4

Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de

entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico.

Como tal se emplearon en

una nueva señal con corriente procedente de pilas loca

recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí

Se denominan contactos de trabajo aquellos que se cierran cuando la bobina del relé es

alimentada y contactos de reposo a lo cerrados en ausenci

misma. De este modo, los contactos de un relé pueden ser normalmente abiertos, NA o

NO, Normally Open por sus siglas en inglés, normalmente cerrados, NC,

Closed, o de conmutación.

Los contactos normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es

activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de

, del francés relais, relevo, es un dispositivo electromecánico, que


electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que

permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Figura 2.4 7. Representación física del Microrelé de 12V



Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores

una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal

recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí el nombre de


alimentada y contactos de reposo a lo cerrados en ausencia de alimentación de la


por sus siglas en inglés, normalmente cerrados, NC,

, o de conmutación.



88

, relevo, es un dispositivo electromecánico, que


, se acciona un juego de uno o varios contactos que

Representación física del Microrelé de 12V



repetidores que generaban

les a partir de la señal débil

el nombre de "relé".


a de alimentación de la


por sus siglas en inglés, normalmente cerrados, NC, Normally



Fundamento Teórico

89

contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes

de poder de alta intensidad para dispositivos remotos.

Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el relé es

activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se

utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca

cerrado hasta que el relé sea activado.

Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto NA y uno NC

con una terminal común.

Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo magnético en el

circuito magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia

doble, sobre los contactos. En un relé de corriente alterna se modifica la resonancia de

los contactos para que no oscilen.

La gran ventaja de los relés es la completa separación eléctrica entre la corriente de

accionamiento, la que circula por la bobina del electroimán, y los circuitos controlados

por los contactos, lo que hace que se puedan manejar altos voltajes o elevadas

potencias con pequeñas tensiones de control. También ofrecen la posibilidad de control

de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control.

Capitulo II

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