Curso Micro Tema 1

MICROCONTROLADORES

IUT Cumaná

Prof. Luis ZuritaMicrocontroladores

INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

Los microcontroladores se encuentran presentes en muchas tareas, artefactos y procesos que realizamos y/o utilizamos a diario. Un ejemplo de ello son: las antiguas tarjetas telefónicas, un reloj despertador, una alarma de autos y casas, el Mouse de una computadora, las lavadoras modernas, televisores, microondas, teléfonos celulares, sistemas de control de acceso, controladores de temperatura, juguetes, etc. Resumiendo están presentes en las siguientes áreas: industriales, telecomunicaciones, automóviles, entretenimiento, seguridad, entre otras.

Los microcontroladores son una evolución de los microprocesadores, nacidos en la década de los 70's, presentando en la actualidad completas utilidades y aplicaciones, integrándose en un chip, funciones electrónicas que antes eran posibles por circuitos externos separados.

Imaginémonos un circuito integrado que controla externamente los siguientes circuitos: memoria RAM, EPROM, convertidor Analógico/Digital, comunicación serial, módulos temporizadores, entre otros. Esto en la actualidad se encuentra contenido en un solo circuito integrado de 18, 28 y 40 pines, lo que potencia las posibilidades de aplicaciones.

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INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

Los basamentos teóricos y de operatividad son muy similares a los controladores lógicos programables (PLC's) presentes en innumerables procesos industriales, a las computadoras.

Algunos autores definen al microcontrolador como una microcomputadora. Con un microcontrolador se puede diseñar un PLC, más no el caso contrario.

Realizar un diseño con un microcontrolador es una tarea gratificante, ya que nos permitirá poner en la práctica nuestras destrezas y habilidades como diseñadores, y ver como realiza las funciones que nosotros les habremos de imponerles.

Al finalizar todos los temas de este curso, mediante una sistemática enseñanza y metodología, estaremos en capacidad para partir de una idea o enunciado, hasta simularlo y llevarlo a la práctica; le encontraremos "El queso a la tostada"

¡¡¡ No es nada difícil, la práctica hace la excelencia !!!

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ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES

Un microcontrolador es un computador dedicado, con limitaciones y menos prestaciones. Posee básicamente, las mismas partes que un computador y un controlador lógico programable. Entre ellas tenemos:– CPU (Unidad Central de Procesamiento)– ALU (Unidad Lógico - Aritmética)– Periféricos

Lógica de Control ALU

Memoria de Datos

Memoria de Programa

Periféricos

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ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES

Hemos comentado en el tema anterior que los microcontroladores son una evolución más práctica de los microprocesadores, y esto se fundamenta en dos aspectos importantes: los microcontroladores albergan en su interior varios circuitos que los microprocesadores no tienen. Esto se conoce como arquitectura cerrada (para los primeros) y arquitectura abierta (para los segundos) y la arquitectura tradicional del procesador del microcontrolador (Tipo Harvard) y de los microprocesadores (Tipo Von Neumann).

Microprocesador y su arquitectura abierta

µP

Memorias

Controladores

Controladores

Periféricos Periféricos

Bus de Direcciones

Bus de Datos

Bus de Control

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Microcontrolador y su arquitectura cerrada

µC Periféricos

Arquitectura tipo Von Neumann

8CPU

Memoria

Instrucciones+

Datos

Bus común de direcciones

Bus de datos e instrucciones

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ARQUITECTURA TIPO HARVARD

• Este tipo es la tendencia en las versiones modernas de microcontroladores. Se caracterizan por separar en circuitos diferentes, las memorias de instrucción y de datos, facilitando acceder a ambas simultáneamente. Permite la técnica de segmentación.

Bus de Instrucciones

Memoriade

Instrucciones

10

Bus de Dirección de Instrucciones

CPU Memoria

de Datos

Bus de Dirección de Datos

Bus de Datos

14

9

8

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¿CÓMO ACTUARÍA UN MICROCONTROLADOR EN UN PROCESO A

CONTROLAR? • Como lo haría cualquier sistema o circuito de control, sensando o tomando

información del proceso, realizando operaciones de comparación, o de acceso, o de promedio, o de alarma, etc, y actuando sobre el mismo para corregir, modificar, o mantener valores, según sean las exigencias del diseño. A "grosso modo", lo podemos ilustrar formando parte de un lazo de control cerrado o uno abierto:

Procesoque se desea controlar Microcontrolador

Microcontrolador

Información

Información

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MICROCONTROLADORES PIC DE MICROCHIP Existe una amplia gama de casas fabricantes de

microcontroladores, en el mercado: Motorola, Intel, Texas Instrumens, Hitachi, Parallax, etc, en este curso, se han adoptado los PIC de la gama o familia media de Microchip (PIC 16F8XX) por las siguientes prestaciones:

• ARQUITECTURA HARVARD

• ARQUITECTURA RISC La arquitectura RISC (Reduced Instructions Set

Computer) o Juego de Instrucciones Reducidas para Computadoras, posee un total de 35 instrucciones en lenguaje de máquina o ensamblador (assembler), con las que se pueden realizar infinidades de programas para el microcontrolador, lo que simplifica su uso. Los microprocesadores utilizan arquitectura CISC (Complex Instructios Set Computers) y están por el orden de 80 instrucciones.

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MICROCONTROLADORES PIC DE MICROCHIP • SEGMENTACIÓN (PIPELINE) Esta característica se conoce como paralelismo implícito,

segmenta ó separa las funciones del CPU, producto de la arquitectura Harvard, permitiéndole realizar en etapas, instrucciones diferentes en cada una de ellas y operar varias a la vez. Aumenta el rendimiento del CPU, lo que hace que sus operaciones y procesamiento sean más rápidas que la gran mayoría de los otros microcontroladores.

• INFORMACIÓN AMPLIAMENTE DIFUNDIDA Y DE FÁCIL ACCESO Quizás una de las principales prestaciones. Esta casa fabricante

proporciona libre acceso a las hojas técnicas (Data Sheet) de sus diferentes componentes, así como software para programación, proyectos propuestos, tutoriales, etc mediante su página Web: www.microchip.com

• COMPATIBILIDAD• Existen productos de software y hardware, que no pertenecen

a Microchip, pero que son totalmente compatibles con sus productos. Podemos "bajar" programas adicionales gratis de Internet y realizar circuitos para programarlos a un bajo coste, exitosamente.

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MICROCONTROLADORES

ARQUITECTURA INTERNA DE UN MICROCONTROLADOR PIC Se dividen en tres grandes áreas:1) Núcleo

Estas son las características básicas para la operatividad del microcontrolador. Están constituidas por:* Oscilador * Reset * CPU * ALU* Memoria no volátil para programa (ROM)* Memoria de lecto-escritura para datos (RAM)* Memoria programable para datos (EEPROM/FLASH)* Instrucciones

2) PeriféricosEs la parte que los diferencia con los microprocesadores.

Permite la conexión con el "mundo exterior". Destacan:– Entradas/Salidas de utilidad general– Módulo de captura, comparación y PWM (1)– Comunicación serial (1)– Comunicación paralela (1)– Comparadores (1) – Convertidores Analógico/Digital (1)

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MICROCONTROLADORES

3) Características Especiales ó Recursos Auxiliares Contribuyen a reducir el costo del sistema, incrementan la flexibilidad de diseño y brindan mayor fiabilidad. Entre ellas tenemos:– Bits de configuración– Reset de encendido– Temporizador WATCHDOG– Modo reposo ó de bajo consumo– Oscilador RC interno– Programación serie en el propio circuito– Interrupciones– Temporizadores (Timer's)– (1) Algunas de estas características aplican para los

PIC16F87X

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Características ValorMemoria de Programa 1k x 14 bits

Memoria de Datos RAM 68 Bytes

Memoria de Datos EEPROM

64 Bytes

Pila de programa 8 Niveles

Interrupciones 4 tipos diferentes

RISC 35

Frecuencia Máxima 10 MHz

Temporizadores 2 (TMR0(3) y WDT(4))

Líneas de Entradas/Salidas Digitales

13 (5 Puerto A, 8 Puerto B)

Corriente máxima sumidero

80 mA PA/150 mA PB

Corriente máxima fuente 50 mA PA/100 mA PB

Corriente máxima sumidero por línea (Pin)

25 mA

Corriente máxima fuente por línea (Pin)

20 mA

Voltaje de alimentación 2 a 6 VDC

Voltaje de programación 12 a 14 VDC

Encapsulado DIP plástico 18 pines

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DIAGRAMA INTERNO DEL PIC 16F84

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HARDWARE PIC16F84

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DESCRIPCIÓN DE LOS PINES DEL PIC16F84

Pin Descripción/Función

VDD Voltaje de alimentación. Se aplican 5 VDC

VSS Tierra

FOSC1/CLKINEntrada del circuito oscilador externo, que

proporciona la frecuencia de trabajo

FOSC2/CLKOUT Salida auxiliar del circuito oscilador

MCLR/VPP

Se activa con nivel bajo, proporcionando una reinicialización del sistema (reset). Cumple con una función adicional (VPP) que recibe la alimentación del voltaje de programación, al momento de grabar al PIC.

RA4:RA0

5 líneas de Entradas/Salidas digitales del Puerto A.RA4 tiene una función adicional: Entrada de un reloj

externo asíncrono ó síncrono, cuando el microcontrolador trabaja como contador de eventos.

RB7:RB0

8 líneas de Entradas/Salidas digitales del Puerto BRB0 tiene una función adicional: Provoca una

interrupción externa asíncrona, cuando se configura para ésta.

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TIPOS DE OSCILADORES

• HS: (High Speed Crystall Resonador): Alta velocidad de 20 MHz a 4 MHz.

• XT: (Crystall//Resonador): Estándar de 4 MHZ máximo.• LP: (Low Power Crystall): Bajo consumo, 200 KHz a 30 KHz.• RC: (Resistence/Capacitor): Baja precisión, Tiene una tabla asociada

a los valores de R y C. Muy poco uso. 200 Hz a 32 Hz.

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FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO

ALGUNOS CONCEPTOS• Un ciclo de instrucción tarda en ejecutarse cuatro períodos

de reloj.• Todas las instrucciones del PIC se realizan en un ciclo de

instrucción, exceptuando las de "salto" que tardan dos ciclos.

• Los impulsos de reloj entran por FOSC1/CLKIN y se dividen en cuatro señales internamente, dando lugar a Q1, Q2, Q3 y Q4.

• El ciclo de instrucción se logra al realizarse las siguientes operaciones:– Q1 incrementa el contador de programa (PC)– Q4 busca el código de la instrucción en la memoria del

programa y se carga en el registro de instrucciones– Q2 - Q3 decodifican y ejecutan la instrucción respectiva

•

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FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO

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CÁLCULOS DE TIEMPOS

Los cálculos se realizan bajo las siguientes recomendaciones:1. Se elige el oscilador con el cual se va a trabajar.2. Dada la frecuencia de funcionamiento (Frecuencia de Oscilación

FOSC), por el oscilador elegido, hallamos el período.3. Un ciclo de instrucción se ejecuta en 4 períodos. Tciclo de instrucción: 4 * TOSC4. Multiplicamos la cantidad de instrucciones por lo que tarda en

ejecutarse una de ellas, cuya información nos la brinda el paso anterior. Las instrucciones de salto se ejecutan en dos ciclos, por lo tanto, si tenemos instrucciones de salto, éstas hacen que se multiplique el ciclo de instrucción por dos.

· Duración del total de instrucciones normales (DTIN): Nro. de instrucciones * Tciclo de instrucción

· Duración del total de instrucciones de salto (DTIS): Nro. de instrucciones * Tciclo de instrucción * 2

5. Para determinar cuánto dura un programa en ejecutarse, sumamos la duración de las instrucciones normales más la duración de las instrucciones de salto.

Total de duración del programa: DTIN + DTIS

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CÁLCULOS DE TIEMPOS

Ejemplo. Sea un cristal XT, cuya frecuencia es F= 4 MHz, Halle el total de duración de un programa que contiene 250 instrucciones normales y 50 instrucciones de salto.

1. Hallamos el período: T= 1/F, éste valor es conocido como el período de oscilación. T= 1 / 4 MHz = 0.25 μs 2. Hallamos el Ciclo de Instrucción: Tciclo de instrucción= 4*0.25 μs = 1 μs. 3. Duración del total de instrucciones normales (DTIN): DTIN: 250 * 1 μs = 250 μs 4. Duración del total de instrucciones de salto (DTIS): DTIS: 50 * 1 μs * 2 = 100 μs5. Hallamos el total de duración del programa: Total: DTIN + DTIS = 250 μs + 100 μs Total: 350 μs Por lo tanto nuestro programa tarda en ejecutarse, alrededor de 350

μs.Ejercicio. Dado un programa que contiene 850 instrucciones, de las

cuales el 20 %, corresponden a instrucciones de salto. Halle: ¿Cuánto tarda en ejecutarse el programa? Considere: A) Oscilador LP, B) Oscilador XT

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CIRCUITOS DE RESET

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CIRCUITOS DE APOYO (INTRODUCEN DATOS AL MICROCONTROLADOR)

Pulsadores e interruptores

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Visualización

Con Display

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CIRCUITOS DE APOYO (SACAN DATOS DEL MICROCONTROLADOR)

Con Relé

Con optoacoplador

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CIRCUITOS DE APOYO (SACAN DATOS DEL MICROCONTROLADOR)

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