Capitulo II: Marco Teórico 11 A. FUNDAMENTACION TEORICA 1. SISTEMA DE CONTROL. Un sistema de control, es cualquier interconexión de componentes que satisfacen una función deseada. Según Kuo(1996,p. 2). “Los componentes básicos de un sistema de control se describen mediante: los objetivos de control, componentes del sistema de control, resultados o salidas. Los objetivos se pueden identificar como entradas o señales actuantes y a los resultados también se le llaman salidas, o variables controladas”. En general, el objetivo de un sistema de control, es controlar las salidas de algunas formas prescritas mediante las entradas a través de los elementos del sistema de control. 1.1. PROPÓSITO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. El propósito básico de estos sistemas, es terminar un proceso de manera mucho más económico. En algunos procesos sería posible excepto con el uso de un control automático. Según el Manual de Operaciones del Sistemas de Control de Maraven (1993, p. 102) la economía se puede mostrar en muchas maneras diferentes como:
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Capitulo II: Marco Teórico
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A. FUNDAMENTACION TEORICA
1. SISTEMA DE CONTROL.
Un sistema de control, es cualquier interconexión de componentes que
satisfacen una función deseada.
Según Kuo(1996,p. 2). “Los componentes básicos de un sistema de
control se describen mediante: los objetivos de control, componentes del
sistema de control, resultados o salidas. Los objetivos se pueden identificar
como entradas o señales actuantes y a los resultados también se le llaman
salidas, o variables controladas”. En general, el objetivo de un sistema de
control, es controlar las salidas de algunas formas prescritas mediante las
entradas a través de los elementos del sistema de control.
1.1. PROPÓSITO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL.
El propósito básico de estos sistemas, es terminar un proceso de
manera mucho más económico. En algunos procesos sería posible excepto
con el uso de un control automático.
Según el Manual de Operaciones del Sistemas de Control de
Maraven (1993, p. 102) la economía se puede mostrar en muchas maneras
diferentes como:
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• Disminuir los costos de labor.
• Eliminar o reducir errores humanos.
• Mejorar la calidad del proceso.
• Reducir el tamaño de los equipos y la cantidad de espacios que
requieran.
• Proporcionar seguridad en la operación.
• Disminuir o minimizar el desgaste de energía.
1.2 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL.
Existen diferentes tipos de sistemas de control entre ellos se
tienen:
1.2.1 SISTEMA DE LAZO ABIERTO.
De acuerdo con Ogata (1993,p 4-5) “los sistemas de control a
lazo abierto, son sistemas en lo que la salida no tiene efectos sobre la
relación de control. Es decir, en un sistema de lazo abierto la salida ni se
mide ni sé realimenta, lo que permite comparar la señal de salida con la
señal de referencia; es por ello que el control se debe ejercer por calibración
constante de señal de entrada. “
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En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo
abierto solo se pueden utilizar si la relación entre la entrada y la salida es
conocida, y si no se presentan perturbaciones tantos internas como externas
desde luego, tales sistemas no son sistema de control retroalimentados
nótese que cualquier sistema de control que funciona sobre una base de
tiempo es un sistema de lazo abierto.
De la misma manera Kuo(1996, p. 9) define los sistemas de control de
lazo abierto “como sistema no complejo que no puede satisfacer
requerimiento de desempeño critico, por que la variable controlada depende
únicamente por la señal emitida por el operador.”
El autor hace referencia que los sistemas de lazo abierto se pueden
dividir en dos partes: el controlador; y el proceso controlado. Como se
muestra en la FIGURA 1, una señal de entrada o comando r se aplica al
controlador cuya salida actúa como señal actuante µ; La señal actuante
controla el proceso controlador de tal forma que la variable controlada se
desempeñe dé acuerdo con estándares preestablecidos.
r Entrada de referencia Señal
variable controlada actuante µ
FIGURA 1. Kuo (1996,p.9). Elementos de un Sistema de Control de
lazo Abierto.
Controlador Proceso Controlado
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1.2.2 SISTEMA DE LAZO CERRADO.
Según Ogata (1993, p 4-5); “un sistema de control de lazo cerrado, es
aquel en la cual la señal de salida tiene efectos directos sobre la acción de
control, esto es, el sistema de control de lazo cerrado presenta
retroalimentación. La señal de error actuante que es la diferencia entre la
señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida
o una función de la misma y sus derivadas), que entra al detector o control
de manera de reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado.”
Los sistemas de control de lazo cerrado proporcionan una muestra de
la señal de salida hacia la entrada permitiendo el análisis del resultado de el
proceso, y así tomar medidas correctivas en el sistema, si es necesario. Este
tipo de sistema de control son los más utilizados en el ámbito industrial
porque permiten manipular todo el proceso con capacidad auto correctiva.
Con frecuencia se llama así al sistema de control retroalimentado en la
práctica. El término de lazo cerrado implica siempre el uso de la acción de
control retroalimentado para reducir el error del sistema. Kuo, (1996,p9)
coincide, que el sistema de control de lazo cerrado es una conexión o
retroalimentación desde la salida hacia la entrada del sistema, de tal manera,
la señal controlada debe ser retroalimentada y comparada con la entrada de
referencia para luego enviar una señal actuante proporcional a la entrada y
salida a través del sistema para corregir los errores no deseados.
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1.2.3 RETROALIMENTACIÓN.
La retroalimentación, es una trayectoria de retorno de la salida
al controlador, una parte de la salida del sistema, o toda ella se mide y son
utilizadas por el controlador.
El controlador puede entonces comparar una salida deseada
con la salida real y actúa en consecuencia para reducir la diferencia entre las
dos.
En la actualidad los sistemas de control están presentes en el
acontecer cotidiano formando parte de la vida diaria, debido a que son
necesarios para un buen manejo dentro de las diversas áreas como son: la
industria, la economía, en el ámbito social y en la tecnología.
Por la función que cumplen, que es controlar, los sistemas de
control son de gran utilidad. Por lo tanto están de forma global, por ejemplo
en la astronomía han logrado avances significativos en la realización de
investigaciones como lo es el telescopio espacial Hubble; se encuentra
encima de la atmósfera de la tierra, su capacidad lo diferencia de los demás
ya que proporciona una visión óptica más trascendente. El telescopio ha sido
utilizado como un instrumento que ofrece visión a grandes distancias el cual
se ha venido mejorando. De esta manera ha logrado producir avances dentro
del campo de la tecnología.
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2.- PRINCIPALES FAMILIAS DE MICROCONTROLADORES.
Duque (1997, p. 10) Existen en el mercado varias marcas reconocidas
como las principales, dadas sus características, difusión y usos en productos
de consumo masivo. Entre ellas están Motora, Intel, Philips, National y
Microchip. A continuación mencionaremos algunas.
2.1. FAMILIA INTEL 8051.
Esta familia de microcontroladores de 8 bits contiene varias
referencias, cada una de ellas acondicionada para aplicaciones
especificadas. Todas versiones existentes tienen la misma CPU, memoria
RAM, temporizadores, puertos paralelos y entrada/salida de tipo serial.
El 8051 tiene 4 Kbytes de memoria ROM que debe programarse
durante el proceso de fabricación del circuito integrado. En el 8751, la
memoria ROM se ha reemplazado por una memoria EPROM que el usuario
puede programar y borrar con luz ultravioleta.
El 8031 es un caso especial; no tiene memoria ROM interna y
por lo tanto, la memoria de programación se debe colocar externamente.
Para comunicarse con la memoria externa, el micro debe usar tres de los
cuatros puertos paralelos de entrada/salida.
2.2. FAMILIA MOTOROLA 6805.
Es una de las más utilizadas en el mundo. Ha sido optimizada
para aplicaciones de control especificado, en lugar de procedimiento de
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datos, y forma parte de dispositivos de producción masiva como juguetes,
equipos de video, impresoras, módems, electrónica automotriz y
electrodomésticos. Cada año aparecen nuevos modelos que reemplazan a
los anteriores.
Todos los dispositivos básicos están construidos a partir de la
misma CPU de 8 bits y tienen RAM, ROM, puertos de entrada/salida y
temporizadores; algunos tienen además, puertos seriales, convertidores
análogos a digital y memorias EEPROM o EPROM.
2.3. FAMILIA MICROCHIP 16CXX
Está formula por una amplia variedad de componentes con
diferentes tamaños de memoria, diferentes velocidades, diferentes tipos de
encapsulado y diferente número de pines de entrada/salida.
El conjunto de instrucciones es de sólo 35, por eso se dice que
es un microcontrolador de tipo RISC (Reduced Instruction Set
Computer/Computador con Set de Instrucciones Reducido) a diferencia de
las anteriores familias que utilizan la tecnología CISC (Complex Instruction
Set Computer/Computador con Set de Instrucciones Complejo).
Esta familia sobresale por estar muy difundida actualmente a
nivel mundial. Su flexibilidad, configuraciones para todas las necesidades y
bajo costo, la hacen muy atractiva para los consumidores a gran escala y
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para los estudiantes o diseñadores independientes. En este curso nos
dedicaremos especialmente a esta familia.
3. LOS MICROCONTROLADORES PIC.
(CECOIN, 1998, P. 1) En los dispositivos electrónicos,
también se utilizan los microcontroladores, los cuales aparecen en el
mercado en el año 1971, el primer microprocesador supuso un cambio
decisivo en las técnicas de diseño de los equipos de instrumentación y
control. La implementación de una microcomputadora desarrollada
alrededor de un microprocesador, trajo consigo la fabricación de un
conjunto de circuitos integrados que resolvían las necesidades de
memoria, de entradas / salidas, temporizadores, conversores, etc. Los
fabricantes de microprocesadores conscientes de la importancia de este
mercado, colocaron a disposición de los técnicos una gama variada de
circuitos integrados que facilitan la construcción de sistemas. Este conjunto
de circuitos integrados, constituye para cada fabricante, su familia
microcomputadora.
En el año 1976, a consecuencia del aumento de la densidad e
integración de componentes en un circuito integrado, se creó el primer
ordenador en un chip, es decir, se anexaron junto con el microprocesador los
subsistemas que anteriormente formaban unidades especializadas e
independientes, pero unidas por la pista del circuito impreso con el
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microprocesador forman lo que se conoce como sistema. A este nuevo
circuito integrado se le denomina microcomputadora monopastilla.
La microcomputadora en tiempos pasados, debido a la rigidez
de su arquitectura y a sus limitadas prestaciones, sólo era atractiva para la
producción de grandes series, como sistemas de control de
electrodomésticos, simples automáticos, periféricos, instrumentación, entre
otros.
Por tal razón cuando los sistemas basados en la
microcomputadora se especializan en aplicaciones industriales, en
ambientes eléctricos adversos, aparece la versión industrial de la
microcomputadora, que no es otro que el microcontrolador.
Para URUÑUELA (1989, p.34) Un microprocesador, es un
sistema abierto con el que puede construirse una computadora con las
características que se desee, acoplándose los módulo necesarios.
Por consiguiente, son numerosas las ocasiones en las que es
necesario almacenar datos con el fin de que estos permanezcan a la
disposición de los usuarios, para leerlos o modificarlos, a pesar de que se
presenten cortes de energía o se desconecte el sistema. En tal sentido se
han presentado innumerables soluciones a esta necesidad, y ellas van desde
las memorias RAM, alimentadas con baterías de litio para brindar
alimentación de respaldo en caso de cortes de energía, hasta dispositivos
magnéticos para almacenar la información más recientemente. Las memorias
paralelas EEPROM han sido una de las soluciones más eficientes, ya que el
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mismo es borrable y programable eléctricamente, los datos permanecen
inalterados, a menos que se escriba sobre ellos, utilizando los protocolos
adecuados.
Sin embargo, se presentan inconvenientes, ya que el dispositivo
que se emplea como memoria de datos se encuentran fuera del circuito
integrado del procesador, por lo tanto, se requiere espacio adicional para
éste, y diseñar la disposición de las líneas de control, datos, dirección, entre
otros, lo que genera inversión de tiempo y dinero.
Aprender a manejar y aplicar microcontroladores solo se
consigue desarrollando prácticamente diseños reales. Sucede lo mismo que
con cualquier instrumento musical, cualquier deporte y con muchas
actividades.
En tal sentido, entre la familia de microcontroladores, se
seleccionó el PIC de MICROCHIP TECHNOLOGY INC
(www.microchip.com/10/lit/picmicro). Dentro de esta rama se utilizó un
modelo concreto: El PIC16F84 (ver anexo 1), ya que estos
microcontroladores son sencillos, modernos, rápidos, baratos, además, se
puede escribir los programas y borrarlos múltiples veces.
ANGULO (1994, p.76) los define, como un circuito integrado
programable que contiene todos los componentes de una computadora. 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
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controlador incrustado, ya que en su memoria sólo reside un programa
destinado a gobernar una aplicación determinada. Sus líneas de
entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del
dispositivo a controlar y todos los recursos complementarios disponibles
tienen como finalidad atender sus requerimientos, una vez programado y
configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea
asignada.
CEKIT (1997, p. 12) El fabricante los define como una familia
de microcontroladores de bajo costo, bajo consumo de potencia y alta
velocidad de operación. No está muy lejos de la realidad, ya que es posible
operar los PICL6CXX hasta una velocidad de 20 MHz, y el consumo de
potencia es de 50 microvatios a una velocidad de 32 Khz y de 6
microvatios en modo de reposo o sep (en este modo el micro se detiene y
disminuye el consumo de potencia).
La tecnología RISC( Set de instrucciones reducido) lo hace
muy fácil de manejar, ya que tiene muy pocas instrucciones que son
poderosas, a diferencia de las otras familias que tienen muchas
instrucciones difíciles de recordar o que se utilizan muy poco.
Los PIC16CXX tienen memoria EPROM o PROM internas;
además tienen un circuito de vigilancia interno para evitar que el programa
se pierda (watchdog), los pines de entrada/salida pueden manejar
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corrientes hasta de 25 mA, posee temporizadores programables y algunos
poseen conversores análogo a digital.
Estas familias se divide en tres rangos según la capacidad de
los microcontroladores. El más bajo lo compone la familia 16C5X, los
cuales tienen un timer o temporizador y pines de entrada / salida. El rango
medio lo componen las familias 16C6X/7X8X, que incorporan conversores
análogo a digital, comparadores, interrupciones, etc. La familia de rango
superior lo componen los 17CXX, que tienen muchos más servicios y
prestaciones.
Dentro de todos los miembros de la familia Microchip, vale la
pena destacar el PIC16F84, que se caracteriza por tener una memoria de
programa del tipo EEPROM, es decir que se puede programar (grabar) sin
tener que borrarlo con luz ultravioleta como sucede con los otros tipos.
Características del PIC16F84:
Los aspectos más relevantes en este microcontrolador son:
- 18 pines, de los cuales 13 son de entrada / salida, con control
individual de dirección.
- Conjunto de sólo 35 instrucciones.
- Memoria de programa de 1024 posiciones, de 14 bits cada una.
- 36 registros de propósito general de 8 bits cada uno (SRAM).
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- 15 registros especiales de Hardware.
- Pila de 8 niveles.
- Cuatro fuentes de interrupción.
- Capacidad de corriente para manejar LED´S directamente.
- Temporizador / contador de 8 bits con preescalador programable
de 8 bits.
- Circuito de Vigilancia (Watchdog timer) incorporado.
- Seguridad para protección de código del programa.
- Modo de consumo de baja corriente.
- Programación en serie o en paralelo. Esta opción permite utilizar
solamente dos líneas para transmitir los códigos
correspondientes al programa.
- Se puede considerar como PIC16C71 que el lugar del
convertidor analógico a digital, posee una memoria EEPROM de
datos de 64 bytes, este cambio también se refleja en algunos
registros especiales, que pasan de manejar el convertidor a
controlar las funciones de la memoria de datos.
Estructura Interna:
Está conformada según JJ ELECTRONICS (1999, p. 3) en la
base de la arquitectura Harvard, en la cual el programa y los datos
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son accesados desde memorias separadas, lo que posibilita que las
instrucciones y los datos posean longitudes diferentes. Esta misma
estructura es la que permite la superposición de los ciclos de
búsqueda y de ejecución de las instrucciones, lo cual se ve reflejado
en una mayor velocidad del micro.
Organización de la Memoria de Programa
JJ Electronic (1999, p. 3), Afirma que debido a que el PIC16F84
tiene un contador de programa de 13 bits, tiene una capacidad de
direccionamiento de 8K x 14, pero solamente tiene implementado el primer
1K x 14 (000h hasta 03FFh). Accesos a posiciones superiores a 3FFh
causarán un solapamiento en el espacio del primer 1K. El vector de reset
se localiza en la dirección 0000h, mientras que el de interrupciones en la
0004h.
Organización de los Registros
Para el CECOIN (1998, p. 9) están organizados como arreglos
(páginas) de 128 posiciones de 8 bit cada una (128x8). Todas las
posiciones se pueden acceder directamente (a través del registro selector
FSR). Los cuales conforman la memoria de datos del micro. Para paginar
los registros existen dos bits dentro del registro STATUS que se
especializan en ello. Cada una tiene implementados únicamente los
primero 48 registros (2FH). Las primeras 12 posiciones en cada página,
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contiene registros de función especial. Considerando que todos los
registros físicos se pueden leer o modificar, la siguiente es la descripción
de estos:
Registros
Entre estos cabe mencionar los de MICROCHIP TECHNOLOGIES
(www.microchip.com/10/Lit/PICmicro) quien los especifica de la siguiente
manera:
• 00h 0 INDO: Para direccionamiento indirecto de datos. Este
no es disponible físicamente, utliza el contenido del FSR y el
bit IRP del registro STATUS para seleccionar indirectamente
la memoria de datos o RAM del usuario, la instrucción
determinará que se debe realizar con el registro del usuario
señalado.
• 01h 0 TMRO: Contador y reloj de tiempo real.
Temporizador/Contador de 8 bit. Se incrementa con una
señal externa aplicada al pin RA4/TOCKI o de acuerdo a una
señal interna proveniente del reloj de instrucciones del micro.
La rata de incremento del registro se puede determinar por el
preescalador, localizado en el registro OPTION. Estos se han
mejorado agregando la generación de una interrupción
cuando se rebasa la cuenta (el paso de Of. A Ooh).
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• 02h o PCL: Contador de Programa. Ante una condición de
reset inicia el contador de programa con sus bit en cero.
Durante la ejecución normal del programa, ya que todas las
instrucciones ocupan solo una posición de memoria, el
contador se incrementa en uno cada instrucción, a menos
que se trate de alguna instrucción especial.
• 03h o SATATUS: Registro de estados. Contiene el estado
aritmético de la ALU, la causa del reset y los de preselección
de página para la memoria de datos.
• 04h o FSR: Registro Selector de Registro. Conjuntamente
con el registro INDO, se utiliza para seleccionar
indirectamente los registros disponibles. Mientras que los
otros antecesores poseen solo 5 bits activos, este micro
cuenta con 8 bits. Si en el programa no se utiliza llamadas
indirectas, se puede utilizar como registro de propósito
general.
• 05h o PORTA: Puerto de Entrada/Salida de 5 bits. Este
puerto, al igual que todos sus similares en los PIC, puede
leerse o escribirse como si se tratara de un registro
cualquiera. El mismo está localizado en la página 1, en la
posición 85h.
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• 06h o PORTB: Puerto de8 bits. Al igual que en todos PIC´s,
este puede leerse o escribirse como si se tratara de un
registro cualquiera, algunos de sus pines tienen funciones
alternada en la generación de interrupciones. El registro de
control para la configuración de la función de sus pines se
localiza en la página 1, en la dirección 86h.
• 08h o EEDATA: Registro de Datos. Contiene el dato que se
va a escribir en la EEPROM o el que se leyó de ésta.
• 09h o EEADR: Registro de la Dirección: Aquí, se mantiene la
ubicación de la posición de la EEPROM para ser accesada,
bien sea para una operación de lectura o para una de
escritura.
• 0Ah o PCLATH: Registro para la parte alta de la dirección
del contador de programa y no es directamente accesible.
• 0Bh o INTCON: Registro para el control de interrupciones.
Es el encargado del manejo de las instrucciones y contiene
los bits.
• 81h o OPTION: Registro de configuración Múltiple. Posee
varios bits para configurar el preescalador, la interrupción
externa, el timer y las características del puerto B. El
preescalador es compartido entre el TRC y el WDT, su
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asignación es mutuamente excluyente, ya que solamente
puede uno de ellos ser preescalado a la vez.
• 85h o TRISA: Registro de Configuración del Puerto A. Como
ya se mencionó, es el registro de control para el puerto A. Un
cero en el bit correspondiente al pin lo configura como salida,
mientras que un uno lo hace como entrada.
• 86h o TRISB: Registro de Configuración del Puerto B.
Orientado hacia el control del puerto B. Son válidas las
mismas consideraciones anteriores.
• 88h o EECON1: Registro para el Control de la Memoria de
Datos. Este sólo destina cinco bits para ello, los más bajos,
los tres bits superiores permanecen sin implementarse.
• 89h o EECON2: Registro Auxiliar para el Control de la
Memoria de Datos. Éste no está implementado físicamente
en el micro, pero es necesario en las operaciones de
escritura de la EEPROM de datos ante cualquier intento de
lectura se obtendrá ceros.
• 0Ch o 2Fh: Registro de Propósito General. Las 36
posiciones están implementadas en la memoria RAM
estática, la cual conforma el área de trabajo del usurario, a
esta se accede cuando en la página 1 se direccionan las
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posiciones 8Ch a AFh. Esto se ha diseñado de esta manera
para evitar un excesivo cambio de páginas en el manejo de
la RAM del usuario, agilizando los procesos que se estén
llevando a cabo y simplificando la labor del programador.
También se debe tomar en cuenta el registro de trabajo W, el
cual realiza las funciones del acumulador de otros
procesadores y participa en la mayoría de las instrucciones.
Esto lo hace óptimo para el desarrollo de prototipos y la
experimentación. Por su facilidad de manejo, programación y aplicación,
utilizaremos este microcontrolador para desarrollar este prototipo.
4.- INTERFAZ DE COMUNICACIÓN
Freedman (1997, p. 292) Explica, que una interfaz de
comunicación es una conexión e interconexión entre Hardware, Software y
el usuario. El diseño y construcción de interfaces constituye una parte
principal del trabajo de los ingenieros, programadores y consultores. En tal
sentido, los usuarios “conversan” con el software, el software “conversa
con el hardware y otro software. El Hardware “conversa” con otro
hardware. Todo este “dialogo” no es más que el uso de interfaces. Las
interfaces deben diseñarse, desarrollarse, probarse y rediseñarse, y con
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cada modificación o construcción nace una nueva especificación que
pueda convertirse en un estandar más de hecho o regulado (www-
s.ti.com/sc/psheets/slis047g).
En concordancia con lo antes expuesto, la comunicación a través de
los puertos del computador puede darse de forma serial y USB. Por los
tanto se hace énfasis en la comunicación serial, la cual se refiere al uso de
punto con protocolo RS-232.
Este tipo de comunicación es asíncrono, la transmisión de datos
digitales se envía bit por bit y su estructura se fundamenta en un bit que
indica comienzo, seguido de una serie de ocho bit donde viaja la palabra
en cuestión, y por último un bit de parada.
En la figura 1, se muestra la forma típica de una señal de este tipo
cuando sale directamente del puerto RS-232 del computador. Sin embargo
para efectos de conversión de voltajes a un rango accesible para chips que
trabajan con lógica TTL, se utilizan convertidores de niveles como UARTs,
1488 y 1489 RS-232, o bien como el que se muestra en la Figura 2, del
MAX232.
Este chip, incluye un disparo de carga para generar +10v y –10v
desde una simple entrada de 5v. Es un circuito integrado que dispone de
dos receptores y dos transmisores, lo cual resulta útil en muchos de los
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casos, sobre todo cuando se desea utilizar cada uno de manera individual
por una sola línea.
Figura 1. Formato de Onda Serial del Computador Fuente: http: \\\\www.cablesnmor.comwww.cablesnmor.com
Figura 2. Estructura del MAX232. Fuente: http:\\www.cablesnmor.com
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Por lo tanto, se descarta el hecho de tener que utilizar dos chips
para realizar cada una de estas actividades independientemente en líneas
separadas. En la figura 3, se muestra una señal cuando pasa por uno de
estos convertidores..
A pesar de las grandes ventajas que brinda la transmisión por el
puerto serial como precisión y confiabilidad, es un tipo de interfaz bastante
difícil de depurar, que involucra transformar la data en forma paralelo para
ser interpretada por el computador, efecto que se logra con el uso de los
UART. Por tal razón es más lenta que la transmisión en paralelo, pero la
más apropiada para realizar transmisiones.
Para efectos de esta investigación, se utilizó un sistema de
comunicación serial, microcontrolador PIC16F84, partes mecánicas y un
sistemas de control a lazo cerrado: por cuanto los mismos responden al
prototipo de un sistema de control asistido por una computadora para el
direccionamiento y enfoque de imágenes; donde las especificaciones son
Figura 3. Salida de la Señal RS- 232 desde el MAX232 Fuente: http\\www.cablesnmor.com
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tomadas de los aspectos antes descritos, los cuales crean la posibilidad
del prototipo de control.
5.- TIPOS DE TELESCOPIO.
Según Hecht (1993) existen tres (3) tipos de telescopios clase
tiene su fortaleza y debilidad están: los refractores, reflectores y los
catadióptricos.
5.1.- Telescopio Refractor.
De acuerdo con Alan MacRobert (1998), define al telescopio
refractor como “El tipo de telescopio astronómico más sencillo que tiene
dos lentes. Ambas son convexas, es decir, más gruesas en el centro que
en los extremos”. La lente más cercana al objeto se llama objetivo Véase
FIGURA 4. La luz de una fuente distante pasa por esta lente y llega a un
foco como una imagen ‘real’ e invertida dentro del tubo del telescopio. La
lente del ocular aumenta la imagen formada por el objetivo. En un
telescopio astronómico, la imagen ‘virtual’ formada por él ocular queda
invertida. Los oculares incluyen a menudo varias lentes, pero su acción es
esencialmente la misma que la de las lentes convexas sencillas. En un
telescopio para observación terrestre se inserta una tercera lente para
invertir la imagen por segunda vez, de modo que se pueda ver un objeto
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distante de forma correcta. La calidad óptica es baja y la montura se
mueve tanto que difícilmente le pueden apuntar a algo.
(FIGURA N°4). Enciclopedia Microsoft Encarta (1998).
Ventajas:
1. Son robustos, requieren poco o ningún mantenimiento.
2. Tienen tubos sellados que los protegen del polvo y corrientes de aire que
degradan la imagen.
3. Tienen limpio el paso de luz (sin obstrucción) y por lo tanto, un buen
contraste.
4. En longitudes focales grandes (f/12 a f/15) las imágenes son
extremadamente nítidas sobre un amplio campo visual.
5. Son los mejores tipos de telescopio para observar la Luna, los planetas y
las estrellas dobles.
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5.2.- Telescopio Reflector Newtoniano
El primer telescopio reflector fue construido por Isaac Newton
en 1668. Este telescopio utiliza un espejo curvo para enfocar la luz (Véase
Figura 5). La luz de objetos lejanos como las estrellas entran en el tubo del
telescopio en rayos paralelos, que se reflejan en el espejo cóncavo hacia un
espejo plano diagonal. El espejo diagonal refleja la luz a través de una
abertura en un lado del tubo del telescopio a una lente del ocular. Los
telescopios reflectores pueden ser mayores que los refractores porque el
espejo curvo se puede apoyar en toda su superficie, mientras que una lente
grande sólo se puede apoyar en sus extremos. Los espejos más grandes
tienen ventajas porque pueden recoger más luz. Entre los telescopios
reflectores modernos se encuentra el reflector de 508 cm del Observatorio
Monte Palomar en California (EEUU) y el de 400 cm del Observatorio
Interamericano de Cerro Tololo cerca de La Serena, Chile.
(FIGURA N° 5). Enciclopedia Microsoft Encarta(1998).
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Ventajas:
1. Ofrecen más apertura por dinero invertido.
2.Tienen sólo dos superficies ópticas (sin contar el ocular)
significando esto que hay menos cantidad de fallas o imperfecciones
por haber menos lentes.
3. Es bajo, lo que permite monturas más firmes.
4. Debido a que tiene un número par de espejos, la imagen no se
presenta invertida.
5. El espejo tiene menos posibilidades de empañarse porque éste se
encuentra en el fondo de un largo tubo.
6. Es sencillo de fabricar.
5.3.- Telescopio Catadióptricos.
También se les llaman telescopios complejos. Utilizan lentes y
espejos. El diseño más popular es el Schmidt-Cassegrain, el cual irrumpió en
el mercado en los 70's y ganó rápidamente un lugar por sí mismo entre los
refractores y los reflectores. Los siguientes comentarios aplican
principalmente hacia los Schmidt-Cassegrains:
Ventajas:
1. Las principales son la portabilidad, la conveniencia y las opciones
especiales. Aunque muchas personas se las pueden arreglar para
sacar un reflector de 8" afuera es incómodo y pesado. La mayor parte
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de Schmidt-Cassegrain vienen en una caja de madera que puede
agarrarse con una mano (el trípode viene por separado.)
2. Poco espacio para almacenarlo. La caja puede almacenarse en un
closet o en el baúl de un auto, fácilmente, mientras que un reflector
tiende a desplazar todo.
3. El tubo sellado protege los espejos.
4. La firme construcción, reduce problemas de re-alineamiento.
5. El poco peso del tubo, permite que un motor siga las estrellas con
mayor confiabilidad.
6. La fotografía es más fácil (o mejor dicho, menos difícil).
7. El campo visual es más amplio que el de los Newtonianos. 8.Hay
controles electrónicos de manejo del telescopio, muy elaborados, que
están disponibles como opciones en monturas para Schmidt-
Cassegrains para astrofotógrafos y usuarios de cámaras CCD.
Algunos con capacidades robóticas computarizadas.
El telescopio como instrumento óptico necesita de la manipulación del
hombre para la captura de una imagen. Este proceso es el direccionamiento
del telescopio.
6. DIRECCIONAMIENTO DEL TELESCOPIO.
Ante esta situación Domoromo y González (2001) definen el
direccionamiento del telescopio Como la acción de orientar el objetivo hacia
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una imagen en el espacio, Logrando central una imagen deseada en el
menor tiempo posible.
Se plantea dos posibilidades de direccionamiento del telescopio, uno
manual donde el usuario es la persona que manipula el telescopio hasta
conseguir y mantener el control, y la que se desea alcanzar donde la
computación sea la interfaz para la manipulación de este instrumento. Otros
aspectos esenciales para la captura de la imagen tal cual como se presenta
en la realidad es el enfoque de la imagen.
7.- ENFOQUE DE IMAGEN.
El problema que se trato de resolver dentro de los enfoques de
imagen en primer lugar fue, el de la determinación de saltos o
discontinuidades presentes en una imagen. Además de los ajustes de
entrada de luminosidad que se necesita para poder visualizar un objeto.
Los defectos de captura de imágenes por la video cámara, son un
punto muy importante para obtener un buen resultado, a pesar de la poca
tecnología que se utiliza para esta investigación.
8.- ALMACENAMIENTO DE IMÁGENES.
La imagen se almacena en la memoria del computador en un área que
suele denominarse buffer de cuadro. Este buffer, puede ser parte del
captador o estar en la propia computadora. Varias técnicas se desarrollaron
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para adquirir y acceder a las imágenes digitales, en condiciones ideales,
sería deseable adquirir un cuadro único de datos en un tiempo real.
Los cuadros digitales suelen cuantificarse en 8 bits por pixeles. Sin
embargo, un buffer de 6 bits es apropiado, puesto que el sistema de cámara
medio no puede producir 8 bits de datos exentos de ruidos. Por consiguiente,
los bits de peso más bajo se eliminan como un medio de filtrar el ruido.
Además el ojo sólo puede separar unos 2n = 64 niveles de grises.
Para leer la información almacenada en el buffer sería enviada desde
la computadora a la dirección correspondiente a una combinación de filas-
columnas. Dichas técnicas de captador de trama, se hicieron muy nombradas
y se emplean en los sistemas de visión.
B.- REVISION DE LA LITERATURA.
Seguidamente se describen dos trabajos de investigación en el área de
sistema de control de telescopio y en la visualización y captura de imágenes,
mostrando ser los únicos que da ciertas referencias del proyecto en cuestión.
Los estudios realizados anteriormente con relación a sistemas de
direccionamiento de un telescopio, Palomera, Pérez, Robles(1998), quienes
realizaron una tesis de grado en la Universidad de Guadalajara, México,
denominada " Diseño y Construcción de un Reflector Newtoniano 6F8
Controlado y Desplazado por un Microcontrolador". Esta tesis se realizó con
el propósito de diseñar un proyecto para la automatización de los
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movimientos de un telescopio y la capacidad de activar el seguimiento de un
astro.
El aporte más significativo a este trabajo de grado fue el respaldo
conceptual las cuales sirvieron como referencia para desarrollar parte de la
fundamentación teórica, específicamente lo relacionado con el
direccionamiento del telescopio.
La investigación relacionada con la visualización y captura de
imágenes desarrollada por Ferrer Eugenio y Stavisky Jimmy (2000), titulada,
Desarrollo de un Prototipo para el Reconocimiento de Patrones Visuales a
través de un Sistema de Reconocimientos Automatizado de Formas (SRAF),
quienes realizaron la tesis de Grado en la Universidad Rafael Belloso Chacin
en Maracaibo. Venezuela, fue de gran ayuda, por la manera de cómo
controlar la captura de imágenes por medio de una Videocámara y capturar
el objeto que se desee. Además de ciertas teorías que se tomaron como
punto de partida.
C. - DEFINICION DE TERMINOS BASICOS.
Prototipo: La herramienta utilizada para definir los requerimientos del
sistemas, mostrándole al usuario un ejemplo tangible del mismo (Fabregas,
1992,p55).
Circuito: Paso o grupo de pasos interconectados, aptos para la transmisión
de corrientes eléctricas (Markus, 1978, p. 144).
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Interfase: Es una interacción entre hardware, software y usuario. Al diseño y
construcción de interfaces constituye una parte principal del trabajo de los
ingenieros, programadores y consultores (Freedman 1993, P. 423).
Motores Paso a Paso: Son motores en que la rotación es producida
secuencialmente por conmutación, para producir un desplazamiento discreto
de paso angular y uniforme (Werninck, 1978,P. 553).
Microcontrolador: Es un sistema cerrado que contiene un computador
completo y de prestaciones limitadas que no se puedan modificar.
Hardware: Componentes Palpables y Manejables por el usuario para la
interrelación con los software.
Software: Conjunto de programas utilizables en una clase de computadoras,
junto con la documentación asociada a las computadoras, tales como
manuales, diagramas, instrucciones de funcionamiento, etc.
Piñon: Rueda dentada que engrana con otra rueda dentada o con una
cadena.
Procesos: Cualquier operación o secuencia de operaciones de las cuales
se agrega un cambio de energía, composición, dimensión o cualquier otra
propiedad que se pueda definir con respecto a una referencia.
Pixel: Punto perteneciente a un área de visión, cuyas coordenadas en el
espacio bidimensional son X, Y que posee una intensidad de luz que se
define como F(x, y).
Digitalizador:: Transforma una señal analógica a código binario (digital),
Casi siempre el término digitalizar se refiere a una señal analógica, como la
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imagen o la voz, a un código binario.
Retroalimentación: relación que existe entre la salida y una entrada de
referencias para regular la desviación que existe entre ambas.(Kuo
1996,p256).
Paso Angular: En las coordenadas polares, es la resolución de un
movimiento expresado en grado.
D.- SISTEMA DE VARIABLES.
Prototipo:
Conceptual:
Prototipo de un sistema de control: “se define como un sistema cuyo
comportamiento se investiga mediante una maqueta de menor tamaño” (Kuo,
1996,p1).
Operacional:
Es un conjunto de elementos que se interrelacionan para obtener un
funcionamiento optimo al momento de investigar y dirigir herramientas o
instrumentos de poco volumen.
Direccionamiento:
Conceptual:
Direccionamiento del Telescopio: Según, Domoromo y González
(2000-2001), el direccionamiento del telescopio; es la acción de orientar el
objetivo hacia una imagen en el espacio; Logrando centrar una imagen
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deseada en el menor tiempo posible.
Operacional:
Determinar que el objeto del telescopio se dirija de forma precisa y
bien orientada en el espacio.
Enfoque de Imagen:
Conceptual:
De acuerdo con Alam MacRobert (1996), enfoque de imagen “es
hacer que la imagen obtenida en un aparato óptico se produzca exactamente
en un plano u objeto determinado”.
Operacional:
Procesar por medio de una herramienta óptica, La imagen requerida