UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS, DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL DE MANDO PARA EL SISTEMA DE ENCENDIDO
MEDIANTE UNA PANTALLA TÁCTIL EN UN VEHÍCULO
MARCA FIAT MODELO UNO AÑO 1990.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
PABLO ARTURO BUENO ARÍZAGA
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo PABLO ARTURO BUENO ARÍZAGA, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Pablo Arturo Bueno Arízaga
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis, diseño e
implementación de un sistema de control de mando para el sistema de encendido mediante una pantalla táctil en un vehículo marca fiat
modelo uno año 1990”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz
fue desarrollado por Pablo Arturo Bueno Arízaga, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos
18 y 25.
___________________
Ing. Milton Revelo
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. A mi
madre por su cariño y comprensión en todos los momentos difíciles que la
vida estudiantil me ha presentado. A mi padre por su apoyo incondicional en
mi desarrollo profesional que con sus sabios consejos ha sabido guiarme
para culminar mi carrera profesional. A mis profesores que fueron parte de
mi desarrollo universitario que con su aporte ahora estoy culminando mi
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios Por protegerme durante todo mi camino y darme fuerzas
para superar todos los obstáculos y dificultades a lo largo de toda mi vida.
A mi madre y a mi padre, por su preocupación desde el inicio de mi carrera
por ser los pilares fundamentales para mantenerme en camino y enseñarme
a no desfallecer y siempre perseverar a través de sus sabios consejos.
A toda mi familia y amigos/as que fueron parte fundamental de apoyo para
culminar en su totalidad este proyecto y mi carrera profesional.
Al Ing. Milton Revelo, director de tesis, por su valiosa guía, asesoramiento y
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN xiii
ABSTRACT xiv
1. INTRODUCCIÓN
Introducción
2. MARCO TEÓRICO
1
2.1. HISTORIA
2.2. SISTEMA DE ENCENDIDO CONVENCIONAL
6
8
2.2.1. COMPONENTES 9
2.2.1.1. Batería
2.2.1.2. Interruptor de encendido
2.2.1.3. Bobina de encendido
2.2.1.4. Distribuidor con platino
2.2.1.5. Rotor
2.2.1.6. Condensador
2.2.1.7. Bujía de encendido
2.3. PANTALLAS TÁCTILES
2.3.1. PANTALLAS RESISTIVAS
2.3.2. PANTALLAS CAPACITIVAS
2.3.3. PANTALLAS TÁCTILES CON RESPUESTA
HÁPTICA
2.4. MICROCONTROLADOR
2.4.1. HISTORIA
2.4.2. MICROCONTROLADOR
ii
2.4.3. APLICACIONES
2.4.4. ARQUITECTURA DE LOS
MICROCONTROLADORES
2.4.4.1. Arquitectura Von Neumann
2.4.4.2. Arquitectura Harvard
2.4.5. ARQUITECTURA INTERNA DE UN
MICROCONTROLADOR
2.4.5.1. Unidad central de proceso
2.4.5.2. Memoria
2.4.5.3. Memoria de solo lectura ROM
2.4.5.4. OTP
2.4.5.5. EPROM
2.4.5.6. EEPROM
2.4.5.7. FLASH
2.4.5.8. Reloj principal
2.4.5.9. Periféricos auxiliares
2.4.5.10. Unidades de entrada y salida
2.4.6. ARQUITECTURA RISC Y CISC
2.4.7. MICROCONTROLADOR PIC
2.4.7.1. Ventajas de un microcontrolador PIC
2.4.7.2. Desventajas de un microcontrolador
PIC
2.5. PROGRAMACIÓN DE LOS
MICROCONTROLADORES
2.5.1. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN
2.5.2. ESTRUCTURA DE PROGRAMA
2.5.3. COMPILADOR MIKROBASIC PRO FOR
PIC
2.6. ARDUINO
2.6.1. HISTORIA
2.6.2. QUE ES ARDUINO
2.6.3. QUE DISTINGUE ARDUINO DE OTROS
iii MICROCONTROLADORES
2.6.4. QUE ES SHIELD ARDUINO
2.7. PANTALLA TFT
2.8. SENSOR DE TEMPERATURA
2.8.1. TERMISTORES
2.8.2. SENSOR DE TEMPERATURA LM35
2.8.2.1. Características
3. METODOLOGÍA
3.1. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA
3.2. INVESTIGACIÓN DE CAMPO
3.3. LIBRERÍAS ARDUINO
3.4. DIAGRAMA CIRCUITOS
3.5. IMPREGNACIÓN DE LA PISTA DEL
CIRCUITO
3.6. SELECCIÓN DE LOS PINES PLACA
ARDUINO
3.7. ENSAMBLAJE PANTALLA TÁCTIL
3.8. IMPLEMENTACIÓN PANTALLA TÁCTIL
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. PLACA ARDUINO
4.1.1. CARACTERISTICAS
4.1.2. ALIMENTACIÓN
4.2. PINES DE LA PLACA
4.2.1. PINES DIGITALES
4.2.2. PINES PUERTO SERIE
4.2.3. PINES ANALÓGICOS
4.2.4. PINES PWM
iv
4.3. OTROS PINES EN LA PLACA
4.3.1. AREF
4.3.2. PIN LED 13
4.4. DESARROLLO PARA ARDUINO
4.4.1. LIBRERIAS ARDUINO
4.5. CONEXIONES ELECTRÓNICAS PARA EL
CIRCUITO
4.5.1. REGULADOR DE VOLTAJE 7809
4.5.2. CONEXIÓN DE PLACA ARDUINO MEGA
2560
4.5.3. SENSOR LM35
4.5.4. CONEXIÓN PIN ANÁLOGO
4.5.5. CONEXIÓN PINES DIGITALES
4.5.6. PIN DIGITAL 11
4.5.7. ACTIVACIÓN DEL PIN DIGITAL 8
4.6. DIAGRAMA DE BLOQUES
4.6.1. DISEÑO DEL CIRCUITO
4.7. FABRICACIÓN PLACA Y COMPONENTES
4.8. PROGRAMACIÓN
4.8.1. DISEÑO ESQUEMÁTICO DE LA
PROGRAMACIÓN
4.8.2. RESULTADO DE LA PROGRAMACIÓN
4.8.3. LIBRERÍAS
4.8.4. ENCABEZADO DEL PROGRAMA
4.8.5. FUNCIONES
4.8.6. VARIABLES
v
4.8.7. SIMULACIÓN
4.9. IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO
4.10. RESULTADO DE LA IMPLEMENTACIÓN
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
5.2. RECOMENDACIONES
6. BIBLIOGRAFÍA
7. ANEXOS
98
101
113
117
118
120
123
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. ARQUITECTURA DE LOS
MICROCONCROTADORES
40
Tabla 2. CARACTERÍSTICAS ARDUINO MEGA 2560
Tabla 3. BORNES DE CONEXIÓN
Tabla 4. DISTINCIÓN DE CABLES
61
105
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Arranque a manivela
Figura 2. Ubicación motor de arranque en el
vehículo
Figura 3. Componentes del sistema de
encendido
6
7
9
Figura 4. Batería 10
Figura 5. Interruptor de encendido
(posiciones) 12
Figura 6. Bobina de encendido 13
Figura 7. Platino 14
Figura 8. Rotor 15
Figura 9. Condensador 16
Figura 10. Bujías de encendido 17
Figura 11. Pantalla táctil 18
Figura 12. Pantalla resistiva 20
Figura 13. Pantalla capacitiva 21
Figura 14. Pantalla táctil con respuesta
háptica 22
Figura 15. Primer microcontrolador 1971 24
Figura 16. Microcontrolador 27
Figura 17. Aplicaciones del microcontrolador 28
viii
Figura 19. Arquitectura Harvard 31
Figura 20. Arquitectura interna de un
microcontrolador 31
Figura 21. Proceso de la compilación de
programa escrito en Basic en código hex. 43
Figura 22. Placa Arduino 48
Figura 23. Pantalla tactil TFT 50
Figura 24. Sensor de temperatura LM35 54
Figura 25. Alimentación Arduino 62
Figura 26. Pines de alimentación 63
Figura 27. Pines digitales 64
Figura 28. Pines puerto serie 65
Figura 29. Pines analógicos 66
Figura 30. Pines PWM 66
Figura 31. Voltaje Vs tiempo PWM 67
Figura 32. Prolongación de voltaje en un ciclo
de trabajo 68
Figura 33. Pin AREF 69
Figura 34. Led 13 70
Figura 35. Entorno Arduino 70
Figura 36. Selección de placa o tarjeta
Arduino 71
Figura 37. Selección del Puerto 71
ix
Figura 39. Librerías Arduino 73
Figura 40. Regulador de voltaje 74
Figura 41. Simbología 5VDC Arduino 75
Figura 42. Conexión sensor LM35 75
Figura 43. Conexión al pin A0 de la placa
Arduino mega2560 76
Figura 44. Conexión pines digitales 77
Figura 45. Zumbador 77
Figura 46. Circuito pin digital 8
Figura 47. Diagrama de bloques
Figura 48. Diseño de diagrama de conexión
78
80
81
Figura 49. Diagrama esquemático circuito 82
Figura 50. Diseño de pistas del circuito 82
Figura 51. Impresión de las pistas en la
baquelita 83
Figura 52. Impregnación de pistas por ácido 83
Figura 53. Perforación de baquelita 84
Figura 54. Baquelita con perforaciones 84
Figura 55. Montaje de elementos electrónicos
resistencia 85
Figura 56. Montaje elementos electrónicos 85
Figura 57. Montaje regulador de voltaje y
borneras 86
Figura 58. Ensamble elementos baquelita 86
x
Figura 60. Componentes del sistema de
control de mando
Figura 61. Desarrollo esquemático
programación
87
88
Figura 62. Importar librerías 94
Figura 63. Presentación pantalla 98
Figura 64. Presentación ingreso contraseña 99
Figura 65. Digitación y registro contraseña 99
Figura 66. Presentación de los comandos
para activar 100
Figura 67. Presentación del encendido del
motor y visualización de la temperatura 100
Figura 68. Presentación pantalla para reiniciar
la activación 101
Figura 69. Carcasa del switch de encendido 102
Figura 70. Guía de desarmado carcasa 102
Figura 71. Cilindro de encendido 103
Figura 72. Socket del switch de encendido 103
Figura 73. Medición de voltaje 104
Figura 74. Reparación de cables sueltos 104
Figura 75. Conexión de cables para la placa
Arduino 105
Figura 76. Números de bornes de conexión 105
Figura 77. Conexión y pruebas previas 106
Figura 78. Corte caja para pantalla TFT 106
xi
Figura 80. Colocación y centrado de pantalla
TFT 107
Figura 81. Distinción de cables por función 108
Figura 82. Perforación posterior de la caja 108
Figura 83. Caja pantalla táctil TFT 109
Figura 84. Conexión conector macho 109
Figura 85. Conexión switch para la pantalla
TFT 110
Figura 86. Conexión del conector 110
Figura 87. Ubicación de la pantalla en el
vehículo 111
Figura 88. Planos de funcionamiento 112
Figura 89. Verificación de funcionamiento 112
Figura 90. Comprobación por el puerto USB 115
Figura 91. Placa de aluminio y crema
disipadora 115
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1
Esquema del circuito de conexión del proyecto total 123
ANEXO 2
Placas de armado del circuito de pantalla táctil
ANEXO 3
Ensamble del circuito de control de mando
ANEXO 4
Simulación de funcionamiento del circuito
ANEXO 5
Implementación de la pantalla en el vehículo
ANEXO 6
Programación Arduino Mega 2560
124
125
126
127
xiii
RESUMEN
En el presente proyecto se diseñó e implementó un sistema de control de
mando para el sistema de encendido mediante una pantalla táctil en un
vehículo, utilizando una pantalla TFT y una placa Arduino con sus accesorios
para su respectiva programación y enlace de activación con los circuitos de
los comandos que se requiere activar.
El proyecto otorgó un mayor confort, y se evitó futuros daños mecánicos en
el zócalo de la llave de encendido, por el movimiento constante al momento
de encender el vehículo con la llave al ejercer distintas fuerzas dependiendo
de la cantidad de usuarios que utilicen el vehículo.
Adicionalmente este proyecto brindará seguridad al acceder al encendido del
motor, debido a que en su desarrollo del sistema se debe registrar una
contraseña en la pantalla táctil del vehículo, que permitirá seleccionar los
comandos de accesorios, contacto y arranque del motor.
Después de accionar el botón Arranque, en la pantalla se visualiza la
temperatura ambiente interna de la cabina del vehículo necesaria para una
variedad de usos como es la trasportación de alimentos o bebidas que
requieren mantener una temperatura estable.
El accionamiento se realizó activando un switch escondido en la parte baja
del tablero y con los dedos generando una pequeña presión sobre la
superficie de la pantalla ya que es de tipo resistiva permite ingresar al
sistema. El proyecto beneficiará a los conductores que han extraviado o han
xiv
ABSTRACT
In the present project was designed and implemented a command control
system for the ignition system by means of a touch screen in a vehicle, using
a TFT screen and an Arduino board with fittings for their respective
programming and activation with circuits of the commands that are required
to activate.
The project awarded a comfort, and avoided future mechanical damage to
the socket of the ignition key, by the constant movement when switched on
the vehicle with the key to exercising different forces depending on the
number of users who use the vehicle.
Additionally, this project will provide security when accessing the power of
the engine, for development of the system a password must be registered on
the touch screen of the vehicle, allowing selecting commands in Accessories,
contact and starting the engine.
After pressing the key starter, the display shows the internal temperature of
the cabin of the vehicle necessary for a variety of applications such as the
transportation of food or drink that required maintaining a stable temperature.
The drive took place by activating a switch which was hidden in the lower
dash and fingers generating a small pressure on the surface of the screen is
resistive type allows to enter the system. The project benefited drivers who
1
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de encendido del vehículo con el pasar de los años desde sus
inicios han generado un cambio en modelos, diseño, materiales, etc. con el
afán de generar confort, seguridad y ergonomía para el usuario.
Estos sistemas de control de mando mediante una pantalla táctil y tecnología
de punta solo se puede encontrar en vehículos de alta gama considerados
los de diseño y tecnología de calidad. Los vehículos de gama media y baja
considerados los vehículos de diseños clásicos y componentes mecánicos
básicos no cuentan con sistemas de control electrónico avanzados, como es
la implementación de un sistema de control de mando mediante una pantalla
táctil en el vehículo para la activación del encendido como se presenta en el
proyecto.
Esta implementación permite incorporar a vehículos de gama inferior a las
condiciones tecnológicas actuales en el campo electrónico automotriz,
mejorando el confort, seguridad, y actualización personal como usuario, el
sistema funcionará activando un switch de encendido escondido, el cual
activa la pantalla, mediante un toque en la pantalla accede a un menú en el
cual pide el ingreso de una contraseña y mediante este proceso activa el
tablero del vehículo y permite acceder a los comandos que se pretende
activar.
Esta implementación conseguirá reducir los gastos que genera en los
accionamientos constantes de los mandos mecánicos y monótonos del
vehículo como es la activación del encendido, la manipulación constante de
diferentes usuarios , la fuerza humana que se aplica en cada giro de la llave
para encender el vehículo con el pasar del tiempo genera un desgaste. Son
razones importantes para considerar la importancia de acceder a esta
implementación electrónica automotriz de libre acceso para vehículos
catalogados de baja y media gama con el fin de actualizar la tecnología
2 Además de los dispositivos móviles que se encuentra en el entorno que nos
rodea, las pantallas táctiles han adquirido su respectiva importancia en los
últimos años, ya que anteriormente era una tecnología rezagada.
Difícilmente se encontrará una persona que no haya utilizado una pantalla
táctil, para diferentes operaciones. En el medio en el que se desarrolla la
tecnología, se encuentra dos tipos de pantallas: capacitivas y resistivas.
Las pantallas Capacitivas, son las más comunes en la actualidad, es el tipo
de pantalla utilizado en IPhone, dispositivos Android actuales, es decir todos
los celulares táctiles que observamos en el mercado. Funcionan mediante
una superficie de cristal sobre la que actúa un campo magnético, en la cual
un objeto con la capacidad de conducir electricidad entra en contacto con la
superficie del cristal, haciendo que se distorsione el campo magnético
marcando la posición de la pantalla.
Las pantallas Resistivas, su funcionamiento se presenta por resistencia
eléctrica, la cual está conformada por dos capas, una que conduce
electricidad continuamente, y la otra que al tener contacto con la primera
capa crea una resistencia, en el cual ese punto de resistencia que se marca
servirá para determinar el eje de posición. A pesar que estas pantallas son
menos sensibles tienen un lugar importante en el mercado. (Torres J., 2014)
Los dos tipos de pantallas utilizan el mismo principio para detectar las
pulsaciones, los cambios en la corriente eléctrica. Sin embargo, los
componentes que forman los distintos tipos de pantalla táctil y, sobre todo, la
sensación para el usuario son muy distintos. (Benitez Oscar, 2009)
Una pantalla táctil es una pantalla que mediante un toque directo sobre su
superficie permite la entrada de datos y órdenes al dispositivo.
Comando Touch, indica si un dedo está tocando la superficie de la pantalla.
El sistema suele interpretarlo como un clic del botón primario del mouse
usado para controlar un computador, al ser activadas por presión, las
pantallas táctiles se pueden operar con los dedos y también con guantes,
3 en la pantalla. En el caso del proyecto que se presenta para la activación se
utiliza los dedos de la mano por facilidad y comodidad.
Comando Untouch, indica que el dedo ha perdido contacto con la superficie
de la pantalla, se interpreta como la acción de soltar el botón primario de un
mouse para uso de computador.
Estos comandos serán los accionamientos los cuales se puede controlar de
acuerdo a nuestra necesidad solo con utilizar las yemas de los dedos
ejerciendo una pequeña presión.
El compilador es un programa que permite traducir el código fuente de un
programa en lenguaje de alto nivel, a otro lenguaje de nivel inferior
(típicamente lenguaje de máquina). De esta manera un programador puede
diseñar un programa en un lenguaje mucho más cercano a cómo piensa un
ser humano, para luego compilarlo a un programa más manejable por una
computadora, y es sin duda una de las mejores opciones para la realización
de proyectos, ya que posee un entorno de trabajo más elaborado, y además
tenemos la posibilidad de optimizar diferentes niveles. (Greysed, 2010)
Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interior las
tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de
procesamiento, memoria y periféricos de entrada y salida.
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes
como es el procesador o UCP (unidad central de proceso), memoria RAM
para contener los datos. Los productos que para su regulación incorporan un
microcontrolador disponen de algunas ventajas como el aumento de
prestaciones representa una mejora considerable para el mismo. Aumento
de fiabilidad al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de
elementos que disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.
Los microntroladores PIC ofrecen una amplia gama de dispositivos desde 6
hasta 100 pines, desde los más sencillos de 8 bits hasta los más poderosos
4 de la proyección a la que se desea llegar y la compatibilidad entre
controladores. (UPS, 2012)
En el proyecto se dispone de una plataforma de software libre llamada
Arduino, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos
multidisciplinares, esta placa física incorpora un microcontrolador y puertos
de fácil conexión, lo más importante de esta plataforma es que tiene un
software libre, es decir que cualquier persona tiene acceso a esa
programación. Ya que fue diseñada principalmente para estudiantes, para
evitar los costos altos de licencias de otros programadores.
El problema encontrado para la propuesta de la implementación de este
proyecto es que en ciertas ocasiones la llave de encender el vehículo se
traba en el zócalo del switch, o con el pasar de los años el material de las
llaves se llega a desgastar y con la presión que ejerce la activación del
encendido del vehículo llegan a romper las llaves, casos propios de modelos
de gama baja considerados vehículos de diseños clásicos y mecánicamente
básicos, o modelos de fabricación antiguos, ya que es una función monótona
de activar el switch de encendido, esta acción hace que los usuarios se
encuentren lejos de la tecnología actual del entorno automotriz.
Cabe destacar que el uso de los dispositivos táctiles en la industria
automotriz los últimos años ha crecido de forma abismal, para el uso de los
diferentes accionamientos, pero estas implementaciones se han incorporado
en vehículos de gama alta.
Actualmente los vehículos cuentan con sistemas innovadores para diferentes
sistemas, que facilitan al desarrollo de potencia del motor, confort para el
conductor, especialmente seguridad para el vehículo, pero no se ha
generado una implementación para actualizar los vehículos de baja y media
gama al nivel de los vehículos sofisticados.
El avance tecnológico en la industria automotriz hace que la tecnología sea
un medio de desarrollo para las personas, como son las pantallas táctiles
5 monótono en el vehículo siendo fuente de accidentes irreversibles en ciertas
ocasiones.
El proyecto que se presenta brinda una seguridad adicional al vehículo, ya
que para ejecutar el encendido del motor se debe registrar una clave en la
pantalla táctil para el accionamiento del mismo.
El objetivo principal de este proyecto es, analizar, diseñar e implementar un
sistema de control de mando para el sistema de encendido mediante una
pantalla táctil en un vehículo marca Fiat modelo Uno año 1990.
De igual manera considerando como objetivos específicos analizar y
establecer las características que deben cumplir los componentes del control
de mando del sistema de encendido para la implementación de una pantalla
táctil en el vehículo, siendo necesario, diseñar el sistema gráfico y táctil para
el funcionamiento del control de mando del sistema de encendido del
vehículo, construir un soporte para la aplicación de la pantalla táctil dentro
del vehículo, y para culminar otro objetivo específico es la instalación del
sistema de control de mando para el sistema de encendido mediante una
pantalla táctil en el vehículo y comprobar su funcionalidad en condiciones de
trabajo.
Adicionalmente en este proyecto se realiza la implementación de un sensor
de temperatura interna del vehículo, para demostrar las diferentes
variaciones de temperatura que alcanza el interior del vehículo. En este caso
la temperatura se va apreciar de manera digital en la pantalla en las
diferentes condiciones de trabajo. Y por ende la seguridad de mantener un
6
2. MARCO TEÓRICO
2.1. HISTORIA
Desde que el automóvil empezó a rodar a finales del siglo XVIII y hasta 1911
para darles arranque a los vehículos y encender el motor de combustión, los
conductores tenían que cargar con una palanca que incrustaban bajo la
parrilla y mediante la cual daban manivela, a un mecanismo que ponía en
funcionamiento el sistema de propulsión.
Este esfuerzo físico era muy peligroso y sería eliminado por el invento del
estadounidense Charles Franklin Kettering como se aprecia en la figura 1, un
ingeniero que patentó más de 140 inventos a lo largo de su vida
(1876-1958).
Figura 1. Arranque a manivela
Alpoma, 2008
Pero para la industria automotriz, el más importante fue el motor de
arranque, que General Motors acogió por primera vez para su modelo
7 A pesar de esa innovadora facilidad que permitía iniciar la marcha sin ningún
esfuerzo, hubo varios modelos que seguían usando como recurso, la
manivela y la fuerza del conductor.
Un motor de arranque o de partida es un motor eléctrico alimentado con
corriente continua con imanes de tamaño reducido y que se emplea para
facilitar el encendido de los motores de combustión interna, para vencer la
resistencia inicial de los componentes cinemáticos del motor al arrancar.
El sistema de encendido está constituido por el motor de arranque, el
interruptor, la batería y el cableado. El motor de arranque es activado con la
electricidad de la batería cuando se gira la llave de puesta en marcha,
cerrando el circuito y haciendo que el motor gire como se observa en la
figura 2.
El motor de arranque conecta con el cigüeñal del motor de combustión por
un piñón conocido como piñón bendix de pocos dientes con una corona
dentada reductora que lleva incorporada el volante de inercia del motor
térmico. Cuando el volante gira más rápidamente que el piñón bendix se
desacopla del motor de arranque mediante una rueda libre que lo
desengrana, evitando daños por exceso de revoluciones. (Jiménez, 2010)
Figura 2. Ubicación motor de arranque en el vehículo
8 Los motores de combustión interna, requieren para su funcionamiento un
sistema que pueda activar la mezcla de aire y combustible que se introduce
y comprime en el interior de sus cilindros. Esta activación se logra mediante
una chispa eléctrica que salta de la bujía de encendido. La cual inflama la
mezcla, iniciando la combustión del motor. Todo el conjunto de elementos
que intervienen en la obtención de la chispa se lo denomina circuito de
encendido. (Bosch, 2008)
Los sistemas de encendido se pueden encuadrar dentro de seis grupos:
Encendido convencional
Encendido transistorizado
Encendido electrónico
Encendido electrónico integral
Encendido electrónico programado
Encendido electrónico estático
2.2. SISTEMA DE ENCENDIDO CONVENCIONAL
Los vehículos antiguos están equipados con un sistema de encendido por
bobina convencional. En él todos los cilindros del motor se abastecen de alta
tensión a partir de una bobina de encendido. La distribución correcta en el
tiempo a cada cilindro se realiza mecánicamente mediante un distribuidor de
encendido. El distribuidor de encendido consta de otros elementos
importantes para el accionamiento de la chispa como es el contacto del
ruptor, que se controla mediante unas levas rotativas y conmuta la corriente
a través de la bobina de encendido.
Mientras el interruptor está cerrado se crea un campo magnético en la
bobina de encendido. En el momento de encendido el contacto del ruptor
9 través del devanado secundario de la bobina en la chispa de encendido.
(Parera,1992)
2.2.1. Componentes
Los componentes del sistema de encendido forman como se aprecia en la
figura 3, la batería, como fuente de alimentación; el interruptor general o
llave de contacto; un transformador denominado bobina de encendido; el
interruptor de la corriente del primario de la bobina, denominado ruptor, un
condensador montado en paralelo con los contactos del ruptor y los
mecanismos de avance encargados de sincronizar el salto de la chispa con
las condiciones de funcionamiento del motor; distribuidor giratorio envía la
chispa al girar a los diferentes cilindros, bujía salta la chispa dentro de la
cámara de combustión. (Bosch, 2008)
Figura 3. Componentes del sistema de encendido
10
2.2.1.1. Batería
Su misión primordial es la de mantener todo el sistema eléctrico funcionando
sin problemas, a falta de que sea cargada por el generador del vehículo. En
la figura 4, se puede apreciar la batería convencional utilizada en los
vehículos para su funcionamiento, como detalle primordial se debe tomar en
cuenta la polaridad ya que las baterías pueden disponer de sus polaridades
en ubicaciones diferentes y puede darse algún inconveniente el momento de
su conexión.
Si se clasifica su orden de prioridades a la hora de su funcionamiento
podríamos decir que en primer lugar, su misión es mover el motor de
arranque para poner en funcionamiento el motor térmico, seguidamente
mantener funcionando todo el sistema eléctrico para el buen funcionamiento
del motor térmico. Este sistema eléctrico se tiene en cuenta como
consumidor permanente y la batería ubicada en el vehículo está preparada
para soportar y suministrar energía a todo el sistema eléctrico y electrónico
vital para el funcionamiento del motor térmico, el resto de accesorios
eléctricos funcionan de forma que supone un esfuerzo extra para la batería,
siempre y cuando el alternador no genere la energía necesaria. (Raffan,
2014)
Figura 4. Batería
11
2.2.1.2. Interruptor de encendido
También se le conoce con el nombre de llave de encendido o contacto es la
que permite al conductor encender el vehículo mediante el cierre del circuito
eléctrico de encendido al girar la llave, alimentando con la batería el circuito
primario y motor de arranque. (Parera, 1992)
Permite controlar muchos de los accesorios del auto, pues sirve para
prevenir que los accesorios que se alimentan por medio de la batería del
vehículo consuman energía cuando el vehículo está detenido durante un
largo periodo de tiempo.
El interruptor de encendido, que normalmente se encuentra en la columna
de dirección, tiene un cable o una conexión directa a la batería, que enruta la
corriente al solenoide de arranque, que puede estar situado adentro o
adyacente al motor de arranque. A veces hay un relé de arranque que abre
este circuito y es activado por el interruptor de encendido. Cuando el
interruptor de encendido está abierto, una pequeña cantidad de corriente es
entregada al solenoide de arranque, que luego abre el circuito que acciona el
motor. (Firanova, 2008)
La mayoría de los interruptores de encendido incorporan cuatro posiciones,
como se aprecia en la figura 5 que son las que se denominan a
continuación:
Apagado (OFF). Esta posición corta el sistema eléctrico. Algunos
sistemas tales como los faros por lo general no se encuentran
cableados a través del interruptor de encendido y continuarán
funcionando.
Accesorios (ACCESSORY). Es el contacto 75, en esta posición se
enciende el suministro de energía a todo el sistema eléctrico del
12
Contacto activado (IGNITION ON). Es el contacto 15, en esta posición
se activa todo el sistema eléctrico, incluyendo el circuito de
encendido.
Arranque (START). Es el contacto 50, en esta posición start activa el
circuito del solenoide del arranque para poner en funcionamiento al
motor. La posición START es cargada a resorte para que regrese
automáticamente a la posición ON
Figura 5. Interruptor de encendido (posiciones)
(Tecnoficio, 2010)
2.2.1.3. Bobina de encendido
Cuando se prende la llave de encendido y se da el arranque, el platino se
abre y se cierra.
Con el platino cerrado, el bobinado primario recibe una corriente que sale de
la batería por el polo negativo, camina por el chasis del vehículo, pasa por el
distribuidor y platino, para circular por el bobinado primario.
Construida en carcasa metálica, posee en su interior un núcleo de hierro
13 primario y secundario como se muestra en la figura 6 las partes que
componen una bobina básica.
El bobinado primario posee aproximadamente 350 espiras o vueltas de cable
más gruesas que en el secundario, y está conectado a los terminales
positivo borne 15 y negativo borne 1.
El bobinado secundario con aproximadamente 20000 espiras el cable más
delgado, tiene una extremidad conectada a la salida de alta tensión borne 4,
y la otra extremidad, internamente conectada al bobinado primario. (Bosch,
2008)
Figura 6. Bobina de encendido.
(Bosch, 2008)
2.2.1.4. Distribuidor con platino
Durante el tiempo que el platino se queda cerrado, está produciéndose un
campo magnético en el núcleo de hierro de la bobina.
Ese campo magnético sigue aumentando hasta que alcance su punto
14 del distribuidor, interrumpiendo la circulación de corriente por el circuito
primario de la bobina.
En el momento de la apertura del platino, la corriente eléctrica que está
circulando debe ser inmediatamente interrumpida. (Vargas, 1999)
Cuando la corriente que circula por el bobinado primario (corriente eléctrica)
se interrumpe bruscamente por el platino y condensador, el campo
magnético que se había producido en el núcleo de hierro desaparece
repentinamente.
Las líneas magnéticas cuando están desapareciendo, empiezan a producir o
inducir tensión en el bobinado secundario.
Instantáneamente el condensador actúa como un acumulador, absorbiendo
eventualmente la corriente que podría saltar o generar chispa entre los
contactos del platino. En la figura 7 se puede observar el platino y sus
componentes con los que ejecuta el trabajo para el que fueron dispuestos.
La chispa causa dos daños:
Quemar los contactos del platino.
Perjudicar la formación de la alta tensión.
La tensión producida en el secundario es elevada en función de la gran
cantidad de espiras o vueltas de cable alrededor de 20000 espiras.
Figura 7. Platino
15 La alta tensión producida en el bobinado secundario, se dirige al cable de
alta tensión de la bobina, hasta la tapa del distribuidor, pasando por el rotor y
se distribuye una vez para cada cilindro, de acuerdo con el orden de
encendido de cada tipo de motor.
La corriente de encendido sale de la tapa del distribuidor, pasa por el cable
de alta tensión o cable de bujía, llegando hasta la bujía, donde a través de
los electrodos, se produce la chispa de alta tensión. (Bosch, 2008)
2.2.1.5. Rotor
Cuando el rotor gira dentro de la tapa del distribuidor y distribuye la alta
tensión, la corriente salta entre la punta del rotor y el terminal de la tapa. En
la figura 8 se aprecia el rotor en su forma física.
Figura 8. Rotor
(Bosch, 2008)
Ese salto de chispa también provoca desgaste del material de la punta del
16 Cuanto mayor sea la distancia entre los dos puntos, mayor será la necesidad
de alta tensión, y más tensión la bobina tendrá que producir. Por lo tanto, la
tapa del distribuidor y el rotor también son componentes de desgaste.
2.2.1.6. Condensador
En el momento de la apertura de contactos, el condensador se carga
absorbiendo el alto voltaje autoinducido, y reduciendo el arco eléctrico que
se produce entre los contactos del ruptor y que ocasionaría su rápida
destrucción. Se genera una rápida interrupción del circuito primario,
consiguiéndose que se produzcan tensiones inducidas más elevadas,
aproximadamente 20 veces más rápido de lo que lo haría sin condensador.
Crea, junto con el arrollamiento primario de la bobina, un circuito oscilante de
cargas y descargas del condensador a través del primario, lo que da lugar a
una sucesión de saltos de chispas entre los electrodos de la bujía, aportando
la energía suficiente para la combustión de la mezcla. (Bosch, 2008)
En la figura 9 se puede observar el condensador y la estructura de su
composición.
Figura 9. Condensador
17
2.2.1.7. Bujía de encendido
La bujía es la encargada de introducir la chispa de encendido en la cámara
de explosión, con la energía calórica suficiente para iniciar la combustión de
la mezcla al final de cada compresión.
Es de material cerámico con alto poder dieléctrico y buen conductor del
calor, y además resistente a las altas temperaturas y fuertes presiones que
se producen en la cámara de explosión.
La bujía se compone de dos electrodos, un electrodo central y otro electrodo
de masa. El espacio que queda entre ambos electrodos se llama distancia
disruptiva, o simplemente separación de electrodos, esta distancia suele ser
de 0,6mm a 0,7mm. en los encendidos convencionales, y de 0,8mm a 1mm.
en los encendidos electrónicos. En la figura 10 se puede apreciar la distancia
entre electrodos de una bujía nueva y la forma que toma cuando ya se
encuentra desgastada.
Figura 10. Bujías de encendido
(Bosch, 2008)
El electrodo de masa y el electrodo central en todas las bujías
convencionales, se construyen de aleación de níquel con un porcentaje de
18
2.3. PANTALLAS TÁCTILES
La pantalla táctil responde a una leve presión sobre su superficie. Son
diversas las tecnologías empleadas en la construcción de las touch screen, y
todas basan su funcionamiento en una serie de rayos infrarrojos y sensores
colocados en forma de matriz, de modo de cubrir toda la pantalla. Cuando un
dedo o un objeto interrumpen los rayos, el micro es capaz de detectar la
posición leyendo los sensores. Otros modelos constan de un par de placas
resistivas apenas separadas. Cuando un lápiz o dedo presionan sobre un
punto, ambas placas se unen y conducen una cantidad de corriente que es
función directa de la resistencia formada por ellas. Al medir la corriente, se
puede establecer la posición del punto presionado. (Greene, 2010)
En la figura 11 se observa el proceso de funcionamiento de la pantalla táctil.
Figura 11. Pantalla táctil
(Phone House, 2009)
Un tercer tipo de pantalla táctil basa su funcionamiento en la capacidad
19 acumula una determinada cantidad de cargas eléctricas que, en cierta
medida, son atraídas por el dedo que se apoya sobre la placa exterior. Al
medir la carga residual en las esquinas de la pantalla, se puede determinar
en la posición en donde se apoyó el dedo. En este tipo de pantallas no es
posible utilizar un lápiz o puntero, pues se necesita de capacidad distribuida
que puede proporcionar un dedo humano para ser captado por el sistema.
A estas pantallas se las denomina: pantallas resistivas y pantallas
capacitivas son requeridas de acuerdo al uso o a la implementación que se
le vaya a otorgar.
2.3.1. PANTALLAS RESISTIVAS
La pantalla resistiva está conformado por varias capas. Las más importantes
son dos finas capas de material conductor entre las cuales hay una pequeña
separación. Cuando algún objeto toca la superficie de la capa exterior, las
dos capas conductoras entran en contacto en un punto concreto. De esta
forma se produce un cambio en la corriente eléctrica que permite a un
controlador calcular la posición del punto en el que se ha tocado la pantalla
midiendo la resistencia. Algunas pantallas pueden medir, aparte de las
coordenadas del contacto, la presión que se ha ejercido sobre la misma para
la activación del comando programado.
Cada una de las láminas detecta la coordenada en un eje distinto, por
ejemplo, la superior detecta la coordenada X y la inferior la coordenada Y.
En la figura 12 se puede observar la estructura de una pantalla táctil resistiva
que son por norma general más accesibles pero tienen una pérdida de
aproximadamente el 25% del brillo debido a las múltiples capas necesarias.
Por lo tanto son útiles en servicios que no requiera una imagen colorida o
con rasgos muy detallados. Es muy importante conocer que estas pantallas
20
que son el tipo de pantallas táctiles más usado en la actualidad. (Nervis,
2012)
Figura 12. Pantalla resistiva
(Nervis, 2012)
2.3.2. PANTALLAS CAPACITIVAS
Una pantalla táctil capacitiva como se observa en la figura 13, está cubierta
con un material, habitualmente óxido de indio y estaño que conduce una
corriente eléctrica continúa a través del sensor. El sensor por tanto muestra
un campo de electrones controlado con precisión tanto en el eje vertical
como en el horizontal, es decir, adquiere capacitancia. El cuerpo humano
también se puede considerar un dispositivo eléctrico en cuyo interior hay
electrones, por lo que también dispone de capacitancia. Cuando el campo de
capacitancia normal del sensor (su estado de referencia) es alterado por otro
campo de capacitancia, como puede ser el dedo de una persona, los
circuitos electrónicos situados en cada esquina de la pantalla miden la
21 referencia y envía la información acerca de este evento al controlador para
su procesamiento matemático. Los sensores capacitivos deben ser tocados
con un dispositivo conductivo en contacto directo con la mano o con un
dedo, al contrario que las pantallas resistivas o de onda superficial en las
que se puede utilizar cualquier objeto. Las pantallas táctiles capacitivas no
se ven afectadas por elementos externos y tienen una alta claridad, pero su
complejo desarrollo de la señal hace que su costo sea elevado. (Antocara,
2009)
Figura 13. Pantalla capacitiva
(Tyme, 2013)
En las pantallas resistivas hay que ejercer una cierta presión, con el dedo o
un objeto, para que se ejecute la orden, por lo contrario en las pantallas
capacitivas con sólo poner el dedo en el campo de electrones que es la
pantalla ya se obtiene la orden.
La desventaja que presentan las pantallas capacitivas en el medio es que no
funcionan con objetos tipo lapiceros, o guantes tiene que ser el dedo
directamente.
Una de las ventajas primordiales de las pantallas capacitivas es la rapidez
22
2.3.3. LAS PANTALLAS TÁCTILES CON RESPUESTA HÁPTICA
En la actualidad se utiliza dispositivos móviles tales como teléfonos
inteligentes y tabletas con pantalla táctil. El tacto es nuestra forma de
introducción y el dispositivo devuelve una respuesta en forma de sonido,
tono o de vibración, pero Microsoft quiere ir más allá dando incluso textura a
las pantallas.
La evolución de las pantallas táctiles a nivel de software y la evolución de
los teclados software nos han llevado a optimizar el ritmo de escritura,
introducción de texto y a minimizar los fallos, aún los teclados mecánicos se
mantienen como opción ideal para este tipo de tareas. No obstante, en
ciertas ocasiones no se puede utilizar un teclado mecánico por cuestiones
de movilidad. Microsoft, que prepara varios prototipos diferentes para
pantallas táctiles que llevan la respuesta háptica, respuesta que ofrece una
pantalla táctil al ser tocada mucho más allá de un simple tono, o una ligera
vibración.
La tecnología háptica es el conjunto de interfaces tecnológicas que
interaccionan con el ser humano mediante el sentido del tacto como se
puede apreciar en la figura 14.
.
Figura 14. Pantalla táctil con respuesta háptica
23 A diferencia de las pantallas táctiles capacitivas que utilizamos actualmente,
las pantallas resistivas, trabajan de una forma más física que las actuales.
Es decir que, mientras las pantallas capacitivas reciben la introducción de
comandos por una reacción eléctrica, las pantallas resistivas sí necesitan
que se presione su capa más externa es decir requieren de una mayor
presión. Ya que las más nuevas o capacitivas no requieren de presión por
parte del usuario, y transmiten una mayor sensación de respuesta por parte
del hardware. Sin embargo, los paneles táctiles capacitivos han generado
posibilidades como la introducción de texto multitáctil o unos niveles de brillo
mayores entre otros aspectos. (González, 2014)
2.4. MICROCONTROLADOR
2.4.1. HISTORIA
La historia de los microcontroladores que se encuentra y aplica en diario vivir
tiene sus raíces en el desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados.
Este desarrollo tecnológico ha hecho posible que cientos de miles de
transistores sean capaces de integrarse en un solo chip.
Ése era uno de los requisitos previos para la producción de los
microprocesadores, y las primeras computadoras eran hechas agregando
periféricos externos como la memoria, timers etc. lo que aumentaba el
volumen de los circuitos integrados. Estos circuitos integrados contenían
procesador y periféricos. Así es cómo se desarrolló el primer chip que
contenía una microcomputadora, o lo que después se llegaría a conocer
como un microcontrolador.(Limones, 2011)
24
Figura 15. Primer microcontrolador 1971
(Sánchez, 2012)
En el año 1969, un equipo de ingenieros japoneses de la compañía
BUSICOM llegó a Estados Unidos con la idea de usar para sus proyectos
circuitos integrados de los que se usaban en las calculadoras. La
proposición se hizo a INTEL (Fabricante de los procesadores que llevan su
nombre), y Marcian Hoff era el responsable del proyecto. Ya que él era quien
tenía experiencia trabajando con una computadora (PC) PDP8, se le ocurrió
pensar en una solución fundamentalmente diferente en lugar de la
construcción sugerida. Esta solución presumía que la función del circuito
integrado se determinaría por un programa almacenado en él. Eso
significaba que la configuración sería más simple, pero que requeriría mucho
más memoria de lo que requería el proyecto que propusieron los ingenieros
japoneses.(Orayes, 2008)
Después de un tiempo, aunque los ingenieros japoneses probaron
soluciones más fáciles, la idea de Marcian ganó, y el primer microprocesador
nació.
Para transformar esta idea en un producto ya fabricado, Federico Faggin, se
unió a INTEL, y en sólo 9 meses tuvo éxito. INTEL obtuvo los derechos para
vender este bloque integrado en 1971. Primero, compraron la licencia de la
compañía BUSICOM, que no tenía idea del tesoro que poseían. Durante ese
año, apareció en el mercado un microprocesador que se llamó 4004, este
25 por segundo. No mucho tiempo después de eso, la compañía americana
CTC pidió a INTEL y Texas Instruments que hiciera un microprocesador de 8
bits. Aunque después a CTC no le interesó más la idea, Intel y Texas
Instruments siguieron trabajando en el microprocesador y el primero de abril
de 1972, el microprocesador de 8 bits aparece en el mercado con el nombre
de 8008. Podía direccionar 16 Kb de memoria, con un set de 45
instrucciones y una velocidad de 300 000 operaciones por segundo. Este
microprocesador es el predecesor de todos los microprocesadores de hoy.
Intel mantuvo sus desarrollos y saco al mercado el procesador de 8 bits bajo
el nombre 8080, el cual podía direccionar 64Kb de memoria, con 75
instrucciones, a un precio de 360 dólares americanos.(Limones, 2011)
2.4.2. MICROCONTROLADOR
Un microcontrolador es un circuito integrado o chip de alta escala de
integración que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una
computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de una
computadora completa en un solo circuito integrado programable y se
destina a gobernar una sola tarea con el programa que reside en su
memoria. Sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los
sensores y actuadores del dispositivo a controlar.(Limones, 2011)
Por su reducido tamaño suele ir incorporado en el propio dispositivo al que
administra, esto reduce el número de componentes y costos.
El uso de los microcontroladores para proyectos de ingeniería no tiene
límites, el único limitante es la imaginación del desarrollador. Una vez
programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para
gobernar la tarea asignada.
El funcionamiento de los microcontroladores está determinado por el
26 leguajes de programación. Además, la mayoría de los microcontroladores
actuales pueden reprogramarse repetidas veces
En su memoria sólo reside un programa que controla en funcionamiento de
una tarea determinada, sus líneas de entrada/salida se conectan a los
sensores y actuadores del dispositivo a controlar y, debido a su pequeño
tamaño, suele ir integrado en el propio dispositivo al que gobierna.(Limones,
2011)
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:
Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso).
Memoria RAM para contener los datos.
Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EEPROM/Flash.
Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores,
puertos serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA:
Conversores Digital/Analógico, etc.).
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de
todo el sistema.
Los productos incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes
ventajas:
Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado
elemento representa una mejora considerable en el mismo.
Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un
elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se
precisan menos ajustes.
Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del
microcontrolador en un circuito integrado disminuye el volumen, la
27
Mayor flexibilidad: las características de control están programadas
por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de
instrucciones.
Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio
dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de
controlador empotrado (embedded controller) como se puede apreciar en la
figura 16.(Sanchez, 2012)
Figura 16. Microcontrolador
(Sánchez, 2012)
2.4.3. APLICACIONES
Por nombrar varios ejemplos de aplicaciones en las que intervienen los
microcontroladores, tales como: mandos a distancia, termómetros digitales,
controles de acceso por puertas de seguridad, los sistemas ABS o EPS de
los vehículos, control y sensórica de maquinaria, domótica del hogar,
microrobótica, monederos electrónicos, etc.
Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el
fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y
coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Los microcontroladores
se encuentran gobernando todos los sistemas y medios en los que nos
28
Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como
centrales y en teléfonos fijos, móviles, fax, etc.
Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas,
batidoras, televisores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música,
mandos a distancia, consolas, etc.
Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos;
ratones, teclados, impresoras, escáner, etc.
Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc.
Industria: Autómatas, control de procesos, etc
Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores,
calefacción, aire acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc.
Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard),
sistemas de navegación, etc.
La industria automotriz, para mantenerse en el medio tecnológico actualiza
sus sistemas, en los cuales para sus comandos y control de los mismos
hace hincapié en el uso de microcontroladores como indica la figura 17, que
interactúen con periféricos de entrada, y actuadores de salida.
29
2.4.4. ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES
En sus inicios todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica
de von Neumann, en la actualidad se impone la arquitectura Harvard.
2.4.4.1. Arquitectura Von Neumann (básica)
La arquitectura tradicional de computadoras y microcontroladores se basa en
el esquema propuesto por John Von Neumann, en el cual la unidad central
de proceso, o CPU, está conectada a una memoria única que contiene las
instrucciones del programa y los datos. El tamaño de la unidad de datos o
instrucciones está fijado por el ancho del bus de la memoria. Las dos
principales limitaciones de esta arquitectura tradicional son:
Que la longitud de las instrucciones está limitada por la unidad de
longitud de los datos, por lo tanto el microprocesador debe hacer
varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.
La velocidad de operación (o ancho de banda de operación) está
limitada por el efecto de cuello de botella que significa un bus único
para datos e instrucciones que impide superponer ambos tiempos de
acceso.
La arquitectura von Neumann permite el diseño de programas con código
automodificable, práctica bastante usada en las antiguas computadoras que
solo tenían acumulador y pocos modos de direccionamiento, pero
innecesaria, en las computadoras modernas.(Sanchez, 2012)
En la figura 18 se observa la estructura de en laces de la arquitectura Von
30
Figura 18. Arquitectura Von Neumann
(Silencer, 2012)
2.4.4.2. Arquitectura Harvard
Consiste simplemente en un esquema en el que el CPU está conectado a
dos memorias por intermedio de dos buses separados. Una de las memorias
contiene solamente las instrucciones del programa, y es llamada Memoria de
Programa. La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria
de Datos. Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de
distintos anchos. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o
RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus
de la memoria de programa pueden diseñarse de manera tal que todas las
instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud.
Además, como los buses son independientes, el CPU puede estar
accediendo a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al
mismo tiempo estar leyendo la próxima instrucción a ejecutar. Se puede
observar claramente que las principales ventajas de esta arquitectura son:
El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los
datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier
instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa,
31
El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el
de los datos, logrando una mayor velocidad de operación.
Una pequeña desventaja de los procesadores con arquitectura Harvard
como se aprecia en la figura 19, es que deben poseer instrucciones
especiales para acceder a tablas de valores constantes que pueda ser
necesario incluir en los programas, ya que estas tablas se encontraran
físicamente en la memoria de programa (por ejemplo en la EPROM de un
microprocesador). (Camacho, 2012)
Figura 19. Arquitectura Harvard
(Silencer, 2012)
2.4.5. ARQUITECTURA INTERNA DE UN MICROCONTROLADOR
Figura 20. Arquitectura interna de un microcontrolador
32
2.4.5.1. Unidad central de proceso (CPU)
La unidad central de proceso, es el núcleo del microcontrolador. Su función
es ejecutar las instrucciones almacenadas en la memoria. Se denomina
procesador o microprocesador, término que a menudo se confunde con el de
microcontrolador. Cabe destacar que ambos términos son muy diferentes:
El microprocesador es una parte de un microcontrolador y sin él no sería útil;
un microcontrolador, en cambio, es un sistema completo que está listo para
ejecutar el trabajo para el que se destina. (Camacho, 2012)
2.4.5.2. Memoria
Son los diferentes componentes del microcontrolador que se emplean para
almacenar información durante un periodo determinado de tiempo. La
información que se necesita durante la ejecución del programa será, por un
lado, el propio código, y por otro, los diferentes datos que se usa durante la
ejecución del mismo.
Para el desarrollo de diferentes modelos de información se hace necesario el
uso de diferentes tipos de memoria:
La memoria volátil RAM (Random Access Memory) es aquella que pierde la
información que almacena al desconectarla de la alimentación.
La memoria no volátil ROM (Read Only Memory), es la que no pierde la
información que almacena al desconectarla de la alimentación. Por lo tanto,
se hace evidente que la memoria de programa deberá ser no volátil para que
el programa grabado en el microcontrolador no se borre cada vez que se
33
2.4.5.3. Memoria de solo lectura (ROM)
Es una memoria no volátil solo de lectura cuyo contenido se graba durante la
fabricación del chip. Estos se fabrican en obleas es decir en partes
pequeñas de menos de un milímetro de espesor, que contienen varias
decenas de chips. Estas obleas se fabrican a partir de procesos
fotoquímicos, donde se impregnan capas de silicio y oxido de silicio, y según
convenga, se erosionan al exponerlos a la luz. Como no todos los puntos
han de ser erosionados, se sitúa entre la luz y la oblea una máscara con
agujeros, de manera que donde deba incidir la luz, esta pasará. Con varios
procesos similares pero más complicados se consigue fabricar los
transistores y diodos micrométricos que componen un chip. (Sanchez, 2012)
2.4.5.4. One time programable (OTP)
El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura que el
usuario lo puede programar una sola vez. OTP (One Time Programmable).
El usuario puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo
grabador controlado por un programa desde un PC. La versión OTP es
recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien,
en la construcción de prototipos y series muy pequeñas. Tanto en este tipo
de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante
fusibles para proteger el código contenido.(Sanchez, 2012)
2.4.5.5. Erasable programable read only memory (EPROM)
Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable
34 veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un
grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el
contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se
somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las
cápsulas son de material cerámico y son más costosos que los
microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material
plástico.
2.4.5.6. Electrical Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM)
Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables
eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy
Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente
desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy
cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de
ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de
memoria EEPROM. Una vez instalados en el circuito, se pueden grabar y
borrar las veces que se sesee sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se
usan grabadores en circuito, que confieren una gran flexibilidad y rapidez a
la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de
veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo
que no es recomendable una reprogramación continúa. Son muy idóneos
para la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la
tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos
programables para guardar y modificar cómodamente una serie de
parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno. Este
