informe tecnico

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

PROYECTO ELECTRNICO

CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR

Uno de los principios fundamentales de la fsica es la propiedad de la electricidad que

tienen los cuerpos y mas aun si estos almacenan energa, como es el caso de los capacitores.

Una prctica habitual que se hace en el laboratorio es observar el comportamiento de este

componente, ver en cuanto tiempo se carga a su mximo voltaje y en cuanto tiempo se descarga

totalmente. Para hacer este tipo de experimentos generalmente se usa un voltmetro y un

cronometro, por tal motivo la funcin principal de este proyecto es reducir esos mrgenes de

error en medicin, que estar operado por un microcontrolador PIC (Circuito Integrado

Programable).

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

1. Microcontrolador

Un microcontrolador (abreviado C, UC o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las rdenes grabadas en su memoria. Est compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea especfica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y perifricos de entrada/salida.

Algunos microcontroladores pueden utilizar palabras de cuatro bits y, funcionan a velocidad de reloj con frecuencias tan bajas como 4 kHz, con un consumo de baja potencia (mW o micro vatios). Por lo general, tendr la capacidad para mantener la funcionalidad a la espera de un evento como pulsar un botn o de otra interrupcin, el consumo de energa durante el sueo (reloj de la CPU y los perifrico de la mayora) puede ser slo nano vatios, lo que hace que muchos de ellos muy adecuados para aplicaciones con batera de larga duracin. Otros microcontroladores pueden servir para roles de rendimiento crtico, donde sea necesario actuar ms como un procesador digital de seal (DSP), con velocidades de reloj y consumo de energa ms altos.

Al ser fabricados, la memoria ROM del microcontrolador no posee datos. Para que pueda controlar algn proceso es necesario generar o crear y luego grabar en la EEPROM o equivalente del microcontrolador algn programa, el cual puede ser escrito en lenguaje ensamblador u otro lenguaje para microcontroladores; sin embargo, para que el programa pueda ser grabado en la memoria del microcontrolador, debe ser codificado en sistema numrico hexadecimal que es finalmente el sistema que hace trabajar al microcontrolador cuando ste es alimentado con el voltaje adecuado y asociado a dispositivos analgicos y discretos para su funcionamiento.

Cuando observamos la organizacin bsica de un microcontrolador, sealamos que dentro de este se ubican un conjunto de perifricos, cuyas salidas estn reflejadas en los ojos de juan p. A continuacin describiremos algunos de los perifricos que con mayor frecuencia encontraremos en los microcontroladores.

Entradas y salidas de propsito general

Tambin conocidos como puertos de E/S, generalmente agrupadas en puertos de 8 bits de longitud, permiten leer datos del

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

exterior o escribir en ellos desde el interior del microcontrolador, el destino habitual es el trabajo con dispositivos simples como rels, LED, o cualquier otra cosa que se le ocurra al programador.

Algunos puertos de E/S tienen caractersticas especiales que le permiten manejar salidas con determinados requerimientos de corriente, o incorporan mecanismos especiales de interrupcin para el procesador.

Tpicamente cualquier pin de E/S puede ser considerada E/S de propsito general, pero como los microcontroladores no pueden tener infinitos pines, ni siquiera todos los pines que queramos, las E/S de propsito general comparten los pines con otros perifricos. Para usar un pin con cualquiera de las caractersticas a l asignadas debemos configurarlo mediante los registros destinados a ellos.

Temporizadores y contadores

Son circuitos sincrnicos para el conteo de los pulsos que llegan a su poder para conseguir la entrada de reloj. Si la fuente de un gran conteo es el oscilador interno del microcontrolador es comn que no tengan un pin asociado, y en este caso trabajan como temporizadores. Por otra parte, cuando la fuente de conteo es externa, entonces tienen asociado un pin configurado como entrada, este es el modo contador.

Los temporizadores son uno de los perifricos ms habituales en los microcontroladores y se utilizan para muchas tareas, como por ejemplo, la medicin de frecuencia, implementacin de relojes, para el trabajo de conjunto con otros perifricos que requieren una base estable de tiempo entre otras funcionalidades. Es frecuente que un microcontrolador tpico incorpore ms de un temporizador/contador e incluso algunos tienen arreglos de contadores. Como veremos ms adelante este perifrico es un elemento casi imprescindible y es habitual que tengan asociada alguna interrupcin. Los tamaos tpicos de los registros de conteo son 8 y 16 bits, pudiendo encontrar dispositivos que solo tienen temporizadores de un tamao o con ms frecuencia con ambos tipos de registro de conteo.

Conversor analgico/digital

Como es muy frecuente el trabajo con seales analgicas, stas deben ser convertidas a digital y por ello muchos microcontroladores incorporan un conversor analgico-digital, el cual se utiliza para tomar datos de varias entradas diferentes que se seleccionan mediante un multiplexor.

Las resoluciones ms frecuentes son 8 y 10 bits, que son suficientes para aplicaciones sencillas. Para aplicaciones en control e instrumentacin estn disponibles resoluciones de 12bit, 16bit y 24bit6 . Tambin es posible conectar un convertidor externo, en caso de necesidad.

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

Puertos de comunicacin

Puerto serie

Este perifrico est presente en casi cualquier microcontrolador, normalmente en forma de UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) o USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) dependiendo de si permiten o no el modo sincrnico de comunicacin.

El destino comn de este perifrico es la comunicacin con otro microcontrolador o con una PC y en la mayora de los casos hay que agregar circuitos externos para completar la interfaz de comunicacin. La forma ms comn de completar el puerto serie es para comunicarlo con una PC mediante la interfaz EIA-232 (ms conocida como RS-232), es por ello que muchas personas se refieren a la UART o USART como puerto serie RS-232, pero esto constituye un error, puesto que este perifrico se puede utilizar para interconectar dispositivos mediante otros estndares de comunicacin. En aplicaciones industriales se utiliza preferiblemente RS-485 por su superior alcance en distancia, velocidad y resistencia al ruido.

SPI

Este tipo de perifrico se utiliza para comunicar al microcontrolador con otros microcontroladores o con perifricos externos conectados a l, por medio de una interfaz muy sencilla. Hay solo un nodo controlador que permite iniciar cualquier transaccin, lo cual es una desventaja en sistemas complejos, pero su sencillez permite el aislamiento galvnico de forma directa por medio de optoacopladores.

I2C

Cumple las mismas funciones que el SPI, pero requiere menos seales de comunicacin y cualquier nodo puede iniciar una transaccin. Es muy utilizado para conectar las tarjetas grficas de las computadoras personales con los monitores, para que estos ltimos informen de sus prestaciones y permitir la autoconfiguracin del sistema de vdeo.

USB

Los microcontroladores son los que han permitido la existencia de este sistema de comunicacin. Es un sistema que trabaja por polling (monitorizacin) de un conjunto de perifricos inteligentes por parte de un amo, que es normalmente un computador personal. Cada modo inteligente est gobernado inevitablemente por un microcontrolador.

Ethernet

Artculo principal: Ethernet.

Es el sistema ms extendido en el mundo para redes de rea local cableadas. Los microcontroladores ms poderosos de 32 bits se usan para implementar perifricos lo suficientemente poderosos como para que puedan ser accesados directamente por la red. Muchos de los enrutadores caseros de pequeas empresas estn construidos en base a un microcontrolador que hace del cerebro del sistema.

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

Can

Este protocolo es del tipo CSMA/CD con tolerancia a elevados voltajes de modo comn y orientado al tiempo real. Este protocolo es el estndar ms importante en la industria automotriz (OBD). Tambin se usa como capa fsica del "field bus" para el control industrial.

Otros puertos de comunicacin

Hay una enorme cantidad de otros buses disponibles para la industria automotriz (linbus) o de medios audiovisuales como el i2s, IEEE 1394. Es usuario se los encontrar cuando trabaje en algn area especializada.

Comparadores

Son circuitos analgicos basados en amplificadores operacionales que tienen la caracterstica de comparar dos seales analgicas y dar como salida los niveles lgicos 0 o 1 en dependencia del resultado de la comparacin. Es un perifrico muy til para detectar cambios en seales de entrada de las que solamente nos interesa conocer cuando est en un rango determinado de webetas

Modulador de ancho de pulsos

Los PWM (Pulse Width Modulator) son perifricos muy tiles sobre todo para el control de motores, sin embargo hay un grupo de aplicaciones que pueden realizarse con este perifrico, dentro de las cuales podemos citar: inversin DC/AC para UPS ,conversin digital analgica D/A, control regulado de luz (dimming) entre otras.

Memoria de datos no voltil

Muchos microcontroladores han incorporado este tipo de memoria como un perifrico ms, para el almacenamiento de datos de configuracin o de los procesos que se controlan. Esta memoria es independiente de la memoria de datos tipo RAM o la memoria de programas, en la que se almacena el cdigo del programa a ejecutar por el procesador del microcontrolador.

Muchos de los microcontroladores PIC, incluyen este tipo de memoria, tpicamente en forma de memoria EEPROM, incluso algunos de ellos permiten utilizar parte de la memoria de programas como memoria de datos no voltil, por lo que el procesador tiene la capacidad de escribir en la memoria de programas como si sta fuese un perifrico ms.

''0 0 qt

d q d t q VC R C

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

Equivalente a :

'0 l n ( )

q qq t q VC RC

l n ( 1 )

q t V C R C

Tomando exponencial : 1

t RC qeVC

Por lo tanto la funcin de carga es: ( ) ( 1

) t RC

q t V C e

(1.2)En donde VC representa la carga final cuando

t

. Y al derivar respecto del tiempose obtiene la corriente en el circuito :

( ) t RC

V i t e R

(1.3)Aqu V R

representa la corriente inicial en el circuito .Las ecuaciones (1.2) y (1.3) representan las funciones de carga e intensidad de corrientedurante la carga del condensador .A l o b t e n e r l a s d i m e n s i o n e s d e R C : [ R ] . [ C ]

= ( ) . ( ) V q s A V

. ( c o m o d e b e r a s e r ) . Entonces se define la

constante de tiempo

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

,o tiempo de relajacin como : RC

(1.4)Segn las graficas de la figura 2 se observa , que a mayor valor de RC el condensador tardara mas en cargarse :

( ) ( 1 ) t RC

q t V C e

( ) t RC

V i t e R

FIGURA 2 2

Al conectar el interruptor S en la posicin 2 , vemos que el circuito se compone solod e l a

r e s i s t e n c i a y e l c o n d e n s a d o r , e n t o n c e s s i t o m a m o s e l m i s m o s e n t i d o d e l a corriente antihorario , de (1.1.) tenemos que :

0 qiRC

(1.5)Reordenando :

dqq RC dt

Entonces : d q d t q RC

Para este caso hallar la funcin de carga , las condiciones iniciales son que para

uncierto tiempo t = t

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

1 , q = q

0 = VC ; y para otro tiempo t = t q = q . Integrando :

0 1 ''

qt q t d q d t q RC

10 ()l n ( )

t t qq RC

Entonces de aqu se obtiene la funcin de carga : 1 ( ) ()

t t RC q t V C e

(1.6)En donde al derivar q (t) respecto del tiempo la corriente ser : 1 ( ) ()

t t RC V i t e R

(1.7)El signo negativo indica que la corriente es en el sentido opuesto al que se tomo en(1.4) . Al analizar los limites0;

t t

v e m o s q u e : q ( 0 ) = V C y l i m ( ) 0 t

q t

,tambin(0)

V i R , 0

l i m ( ) 0 t

i t

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

.Segn las graficas para este caso vemos que la cargaalmacenada en el condensador se disipa , durante la descarga del condensador

: 1 ( ) ()

t t RC q t V C e

1 ( ) ( )

t t RC V i t e R

FIGURA 3 3

Una pantalla de cristal lquido o LCD (sigla del ingls liquid crystal display) es una pantalla

delgada y plana formada por un nmero de pxeles en color o monocromos colocados delante

de una fuente de luz o reflectora. A menudo se utiliza en dispositivos electrnicos de pilas, ya

que utiliza cantidades muy pequeas de energa elctrica.

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

Caractersticas

Cada pxel de un LCD tpicamente consiste de una capa de molculas alineadas entre

dos electrodos transparentes, y dos filtros de polarizacin, los ejes de transmisin de cada uno que

estn (en la mayora de los casos) perpendiculares entre s. Sin cristal lquido entre el filtro polarizante,

la luz que pasa por el primer filtro sera bloqueada por el segundo (cruzando) polarizador.

La superficie de los electrodos que estn en contacto con los materiales de cristal lquido es tratada a fin

de ajustar las molculas de cristal lquido en una direccin en particular. Este tratamiento suele ser

normalmente aplicable en una fina capa de polmero que es unidireccionalmente frotada utilizando, por

ejemplo, un pao. La direccin de la alineacin de cristal lquido se define por la direccin de frotacin.

Antes de la aplicacin de un campo elctrico, la orientacin de las molculas de cristal lquido est

determinada por la adaptacin a las superficies. En un dispositivo twisted nematic, TN (uno de los

dispositivos ms comunes entre los de cristal lquido), las direcciones de alineacin de la superficie de

los dos electrodos son perpendiculares entre s, y as se organizan las molculas en una

estructura helicoidal, o retorcida. Debido a que el material es de cristal lquido birrefringente, la luz que

pasa a travs de un filtro polarizante se gira por la hlice de cristal lquido que pasa a travs de la capa

de cristal lquido, lo que le permite pasar por el segundo filtro polarizado. La mitad de la luz incidente es

absorbida por el primer filtro polarizante, pero por lo dems todo el montaje es transparente.

Cuando se aplica un voltaje a travs de los electrodos, una fuerza de giro orienta las molculas de

cristal lquido paralelas al campo elctrico, que distorsiona la estructura helicoidal (esto se puede resistir

gracias a las fuerzas elsticas desde que las molculas estn limitadas a las superficies). Esto reduce la

rotacin de la polarizacin de la luz incidente, y el dispositivo aparece gris. Si la tensin aplicada es lo

suficientemente grande, las molculas de cristal lquido en el centro de la capa son casi completamente

desenrolladas y la polarizacin de la luz incidente no es rotada ya que pasa a travs de la capa de

cristal lquido. Esta luz ser principalmente polarizada perpendicular al segundo filtro, y por eso ser

bloqueada y el pixel aparecer negro. Por el control de la tensin aplicada a travs de la capa de cristal

lquido en cada pxel, la luz se puede permitir pasar a travs de distintas cantidades, constituyndose los

diferentes tonos de gris.

Pantalla LCD en un despertador.

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

El efecto ptico de un dispositivo twisted nematic (TN) en el estado del voltaje es mucho menos

dependiente de las variaciones de espesor del dispositivo que en el estado del voltaje de compensacin.

Debido a esto, estos dispositivos suelen usarse entre polarizadores cruzados de tal manera que parecen

brillantes sin tensin (el ojo es mucho ms sensible a las variaciones en el estado oscuro que en el

brillante). Estos dispositivos tambin pueden funcionar en paralelo entre polarizadores, en cuyo caso la

luz y la oscuridad son estados invertidos. La tensin de compensacin en el estado oscuro de esta

configuracin aparece enrojecida debido a las pequeas variaciones de espesor en todo el dispositivo.

Tanto el material del cristal lquido como el de la capa de alineacin contienen compuestos inicos. Si

un campo elctrico de una determinada polaridad se aplica durante un perodo prolongado, este material

inico es atrado hacia la superficie y se degrada el rendimiento del dispositivo. Esto se intenta evitar, ya

sea mediante la aplicacin de una corriente alterna o por inversin de la polaridad del campo elctrico

que est dirigida al dispositivo (la respuesta de la capa de cristal lquido es idntica, independientemente

de la polaridad de los campos aplicados)

Cuando un dispositivo requiere un gran nmero de pxeles, no es viable conducir cada dispositivo

directamente, as cada pxel requiere un nmero de electrodos independiente. En cambio, la pantalla es

multiplexada. En una pantalla multiplexada, los electrodos de la parte lateral de la pantalla se agrupan

junto con los cables (normalmente en columnas), y cada grupo tiene su propia fuente de voltaje. Por otro

lado, los electrodos tambin se agrupan (normalmente en filas), en donde cada grupo obtiene una

tensin de sumidero. Los grupos se han diseado de manera que cada pxel tiene una combinacin

nica y dedicada de fuentes y sumideros. Los circuitos electrnicos o el software que los controla, activa

los sumideros en secuencia y controla las fuentes de los pxeles de cada sumidero.

Especificaciones

Importantes factores que se deben considerar al evaluar una pantalla de cristal lquido:

Resolucin

Las dimensiones horizontal y vertical son expresadas en pxeles. Las pantallas HD tienen una resolucin

nativa desde 1280x720 pxeles (720p), Hasta 1920x1080 pxeles

Ancho de punto

La distancia entre los centros de dos pxeles adyacentes. Cuanto menor sea el ancho de punto, tanto

menor granularidad tendr la imagen. El ancho de punto suele ser el mismo en sentido vertical y

horizontal, pero puede ser diferente en algunos casos.

Tamao

El tamao de un panel LCD se mide a lo largo de su diagonal, generalmente expresado en pulgadas

(coloquialmente llamada rea de visualizacin activa).

Tiempo de respuesta

Es el tiempo que demora un pxel en cambiar de un color a otro.

Tipo de matriz

Activa, pasiva y reactiva.

ngulo de visin

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

Es el mximo ngulo en el que un usuario puede mirar el LCD, es estando desplazado de su centro, sin

que se pierda calidad de imagen. Las nuevas pantallas vienen con un ngulo de visin de 178 grados.

Soporte de color

Cantidad de colores soportados. Coloquialmente conocida como gama de colores.

Brillo

La cantidad de luz emitida desde la pantalla; tambin se conoce como luminosidad.

Contraste

La relacin entre la intensidad ms brillante y la ms oscura.

Aspecto

La proporcin de la anchura y la altura (por ejemplo, 5:4, 4:3, 16:9 y 16:10).

Puertos de entrada

Por ejemplo DVI, VGA, LVDS o incluso S-Video y HDMI. Actualmente ya se esta manejando en algunas

pantallas el puerto USB que permite la reproduccin de fotos, msica, y video.

Breve historia

2. DISEO DEL PROYECTO

Para esto se necesit la ayuda de un simulador electrnico (PROTEUS ISIS), en la parte de

control y programacin, para poder observar de manera previa para todos los posibles de

errores y materiales a usarse sin necesidad de realizar costos indebidos para las pruebas

tericas.

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

Hallamos los valores promedios que se debe cumplir en el equipo electrnico

vin vc

1.25 1.19

2.25 2.16

3.25 3.09

4.25 4.05

5.25 5.00

6.25 5.97

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

3. DISEO DE LA PLACA ELECTRONICA

Esta etapa se realiza para pasar toda la parte electrnica a una placa donde estarn todos

los componentes, ya soldados y conectados de manera correcta ya habiendo hecho

pruebas en protoboard.

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

4. PROGRAMACION EN LENGUAJE C

#include "lcd.c"

#byte TRISA=0X85

#byte PORTA=0X05

#byte TRISC=0X87

#byte PORTC=0X07

void main()

{long vi,v2,t,x;

float v,r,to,vc;

trisa=0b11;

trisc=1;

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

setup_adc_ports(ALL_ANALOG);

lcd_init();

output_high(pin_A2);

t=v=r=0;

inicio:

set_adc_channel(1);

delay_ms(1);

vi=read_adc();

v=(vi/102.3);

to=t/1000.0;

set_adc_channel(0);

delay_ms(1);

v2=read_adc();

r=v2/102.3;

printf(lcd_putc,"\fVin=%f",v);

printf(lcd_putc,"\nVc=%f t=%f",r,to);

delay_ms(200);

if(input(pin_C0)==1&&r

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

if(input(pin_C0)==1&&r>v-1)

{t=r=0;

goto descarga;}

goto inicio;

carga:

for(x=0;x=vc)goto inicio;}

printf(lcd_putc,"\fv=%f Vp=%0.4f",v,vc);

printf(lcd_putc,"\nVc=%0.4f t=%f",r,to);

goto carga;

descarga:

for(x=0;x

INFORME TCNICO

JE3 instrumentos

5. COMPILADOR PIC C - CCS COMPILER

Programa que convierte el lenguaje humano a un lenguaje entendible por el

microcontrolador para as ejecutar el programa de manera optima a como fue diseado en

esta interfaz.

6. BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador

http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=16F73A-I

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PIC18F8720.jpg?uselang=es

Sistemas Digitales Tocci

Programacin Microcontroladores C Eduardo Garca Breijo