Diseño de un sistema de control PID para un motor C.A. trifásico mediante LabVIEW

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PID PARA UN MOTOR C. A. TRIFÁSICO MEDIANTE LABVIEW”

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL

P R E S E N T A:

NANCY JUÁREZ RAMÍREZ

ASESORES:

M. EN C. RAMÓN VALDÉS MARTÍNEZ ING. RAMÓN RODRÍGUEZ LUNA

MÉXICO D. F. DICIEMBRE 2011

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TESIS: “DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PID PARA UN MOTOR C. A.

TRIFÁSICO MEDIANTE LABVIEW”

Agradecimientos

A dios

Por darme la oportunidad de vivir esta maravillosa etapa de mi vida y seguir en este camino

A Mis padres y hermano:

Rubén y Guadalupe, y mi hermano Omar por apoyarme, ayudarme, guiarme y confiar en mí en todos estos proyectos.

A Cesar:

Por ser mi incansable compañero en los buenos y malos momentos, por su paciencia y apoyo.

A mis asesores:

Por su ayuda y respaldo para la realización de este proyecto A mi Escuela:

Por la oportunidad de estudiar y realizarme en esta gran

institución.

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Índice Página iv

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Índice general

Justificación ... viii

Objetivo General ... ix

Objetivos particulares ... ix

Introducción ... x

Capítulo I Control Automático ... 1

1.1 Conceptos generales ... 1

1.2 Antecedentes de los sistemas de control ... 2

1.3 Motores de Corriente alterna... 5

1.3.1 Motores síncronos ... 7

1.3.2 Motores asíncronos ... 11

1.3.2.1 Motor tipo jaula de Ardilla ... 12

1.3.2.2 Motor de Rotor Bobinado ... 14

1.3.3 Arranque Delta y Estrella ... 16

1.3.3.1 Conexión Delta ... 16

1.3.3.2 Conexión Estrella ... 17

1.4 Regulación de Velocidad ... 17

1.4.1 Regulación de velocidad de un Motor con Rotor Bobinado ... 19

1.4.2 Convertidores de Frecuencia Rotativos con frecuencia de salida fija ... 20

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Índice Página v

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Capítulo II Electrónica y Microcontroladores ... 23

2.1 Conceptos básicos de electrónica ... 23

2.1.1 Señales Analógicas y Digitales ... 23

2.2 Microcontroladores ... 25

2.2.1 Estructura del Microcontrolador ... 25

2.2.1.1 Tipos de Arquitectura ... 26

2.2.1.2 Procesador ... 28

2.2.1.3 Memoria de programa ... 28

2.2.1.4 Memoria de datos ... 29

2.2.1.5 Periféricos ... 29

2.3 PIC´s ... 30

2.4 Manejo de puertos digitales en el PIC ... 33

2.4.1 Convertidor Analógico Digital ... 35

2.6 Protocolos de comunicación ... 40

2.6.1 Comunicación en Serie ... 41

2.6.2 Comunicación Serie Asíncrona ... 42

2.7 Puerto USB ... 46

2.7.1 Características del puerto USB ... 47

Capítulo III Teoría del Control y Labview ... 48

3.1 Tipos de Control... 48

3.1.1 Control Manual ... 48

3.1.2 Control Semiautomático ... 49

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Índice Página vi

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3.1.3 Control Automático ... 49

3.1.4 Control Lazo Abierto ... 50

3.1.5 Control Lazo Cerrado ... 50

3.2 Control PID ... 50

3.2.1 Control Proporcional ... 51

3.2.2 Control Integral ... 51

3.2.3 Control Derivativo ... 52

3.2.4 Control PI ... 52

3.2.5 Control PID ... 52

3.3 Funciones de Transferencia ... 53

3.4 Diagrama de Bloques ... 54

3.5 Reglas de Sintonización de Ziegler-Nichols ... 55

3.6 Labview ... 58

3.6.1 Programación ... 63

Capítulo IV Planteamiento de la Aplicación... 70

4.1 Enunciado del Proyecto ... 70

4.1.1Funcionamiento del proyecto ... 70

4.1.2 Datos técnicos del equipo ... 70

4.1.3 Diagrama Físico del sistema ... 72

4.2 Funcionamiento de la aplicación en Labview ... 73

4.3 Diagrama Eléctrico ... 81

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Índice Página vii

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Capítulo V Costos del Proyecto ... 82

Conclusiones ... 88

Bibliografía ... 91

Glosario ... 92

Apéndice A Manual del Variador de Velocidad ... 96

Apéndice B Desglose del criterio de Routh ... 107

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Justificación Página viii

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Justificación

A lo largo de los años, la industria ha evolucionado enormemente; cada vez sus exigencias son mayores, con sistemas más compactos pero más precisos, más rápidos, sus métodos deben ser más eficientes y todo tendiente a mejorar la calidad de los productos.

Una constante que he podido observar en diferentes industrias es el monitoreo de los procesos, esto ayuda a muchas áreas en la planta, sirve para detectar y resolver problemas en las líneas mucho más rápido; nos permiten también controlar parámetros de la línea de producción cómo velocidades o posiciones, desde un lugar más seguro para el operador sin perder la fiabilidad de estar directamente en campo, nos permite ver las estadísticas de incidencias buenas y malas y sobre todo tener los trabajos en planta bajo control.

Los instrumentos físicos son siempre la primera opción para lo que monitoreo y control se refieren; sin embargo, estos aparatos se han simplificado con la instrumentación virtual, esto no sólo nos permite monitorear procesos si no también controlarlos, nos ofrece estadísticas para observar los problemas recurrentes y datos para diferentes departamentos, para medir avances, contratiempos etc.

La instrumentación virtual nos ofrece grandes posibilidades, hace a un sistema más flexible y nos permite visualizarlo de una manera mucho más sencilla para así permitir a los usuarios una interfaz agradable, además de que por ser modular representa un ahorro para las empresas cambiantes pues es fácilmente modificable en caso de requerirse.

El presente trabajo ofrece una alternativa viable, sencilla y fiable de control y monitoreo virtual de un motor de corriente alterna por medio de un instrumento virtual, dado que los sistemas de movimiento son de las partes principales dentro de las industrias de cualquier tipo se ha elegido un motor por ser una máquina elemental que puede encontrarse en cualquier rama de la industria.

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Objetivos Página ix

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Objetivo general:

Controlar y monitorear mediante un instrumento virtual el arranque, paro y variación de velocidad de un motor trifásico.

Objetivos específicos:

• Realizar una investigación de los sistemas virtuales.

• Diseñar un programa con el software de Labview.

• Diseñar el control de un motor trifásico.

• Visualizar en la pantalla de la computadora el estado del motor.

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Introducción Página x

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Introducción

El control automático nace a partir de la necesidad de gobernar una máquina sin la necesidad de una persona que estuviera efectuando esta tarea. Este proceso de controlar se ha ido alimentando con las nuevas tecnologías, probablemente la más notable: la computadora.

La presente investigación surge a partir de observar en las industrias la necesidad de controlar motores, pero además, tener la posibilidad de visualizar dentro de una planta su estado; es decir si esta funcionan o esta pagado, esto auxiliándonos de una computadora, un elemento que hoy en día se utiliza en cualquier empresa.

El software de Labview es una plataforma basada en programación gráfica, esto permite que el tipo de programación sea más accesible y la visualización para el usuario sea más sencilla y mejor detallada, incluso más completa pero al mismo tiempo más compacta que tener un instrumento físico en un tablero de control.

Cómo primera parte se tratará el control con sus antecedentes y conceptos generales, para adentrarnos en el tema.

La segunda parte es lo que concierne al software de Labview, sus ventajas, desventajas y las enormes prestaciones que se tiene con esta plataforma.

Cómo enlace entre lo físico y lo virtual usaremos un microcontrolador, en el capítulo destinado a este sistema se tratará sus conceptos básico así como su programación.

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Introducción Página xi

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En el desarrollo del proyecto se unirán todos los conceptos y conocimientos tratados en los capítulos anteriores para resolver el problema de control de motores con Labview.

Este trabajo pretende ofrecer una solución de control por medio de la PC, sin embargo no es la única, pues la tecnología permite una amplia gama de posibilidades, esta es la tarea de un ingeniero.

Para fines de demostración se utilizará un motor trifásico, por ser un elemento sencillo y que cumple con los fines demostrativos del presente trabajo, para la etapa de control un PIC de la familia 16877 y por supuesto es software de Labview.

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Capítulo 1 Control Automático Página 1

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CAPÍTULO 1. CONTROL AUTOMÁTICO.

1.1 Conceptos Generales.

Para controlar materiales y fuerzas de la naturaleza, la ingeniería ha tratado de entender sus fenómenos y así, usarlos en beneficio propio. La entidad a controlar generalmente se denomina sistema, que en términos generales aplica también a fenómenos no físicos; por ejemplo, los que se encuentran en la economía.

Un sistema de control es un grupo de componentes que en conjunto trabajan para un fin determinado.

Los sistemas de control se dividen en sistemas de lazo cerrado, que son los que mantienen una comprobación de la salida deseada por medio de la retroalimentación y los sistemas de lazo abierto que controlan el procedimiento directamente, sin retroalimentación.

La magnitud o condición que se mide en un sistema se denomina variable. Una variable controlada es la que se verifica directamente dentro de un sistema, y suele ser la salida de éste, cuando se modifica para corregir o limitar una desviación del valor deseado se convierte en una variable manipulada.

Una señal que influye negativamente en una variable se denomina perturbación, y pude originarse dentro o fuera del sistema.

Los sistemas de control centralizado se basan en el hecho de que en una computadora se reciban las señales de entrada (variables), se procesen y de cómo resultado una salida de control hacia el proceso que se desea manipular, una PC es capaz de realizar muchas tareas simultáneamente, esto nos da la oportunidad de realizar no sólo tareas de control, sino también de supervisión, informativas y de análisis de datos por ejemplo.

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1.2 Antecedentes de los sistemas de control

El uso de la retroalimentación en los sistemas se remonta hasta el periodo 300 a.c. en Grecia, donde Ktesibios construyó un reloj que funcionaba con un flotador, el mecanismo se alimentaba de un chorro de agua que fluía constantemente, caía en un recipiente y el flotador subía y marcaba el tiempo, para que el chorro de agua fuera constante, Ktesibios utilizó un deposito auxiliar donde una válvula flotante permitía la entrada de cierta cantidad de fluido, si ésta cantidad se excedía la válvula subía y no permitía pasar más agua y así se mantenía constante, la figura 1.1 muestra el mecanismo de Ktesibios.

El principio del regulador flotante tuvo muchas aplicaciones, en el año 250 a.c. Philon lo uso para mantener el nivel en una lámpara de aceite. Heron de Alejandría escribió un libro llamado Pneumatica en el que describe varios mecanismos controlados por reguladores de flotador, y en el renacimiento se retomaron las ideas de Heron para inspirar la creación de los autómatas. En el siglo IX en Arabia, se uso la regulación por flotador para regular los bebederos y en el siglo XVI en Inglaterra se empleaba para mantener las paletas de los molinos en dirección del viento.

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En 1624, Cornelis Drebbel inventó en Europa el termostato, un sistema de regulación de temperatura que en ese entonces se utilizo para un horno, después, se uso en una incubadora para pollos siendo el inicio de los sistemas que se emplearon posteriormente en la industria; por ejemplo, en incubadoras hospitalarias.

Denis Papin diseño el “digestor de vapor” lo que actualmente conocemos como la olla a presión, incorporaba una válvula que regula la presión que se incluyó en su máquina de vapor de alta presión en 1707, a partir de entonces se convirtió en un dispositivo común en las máquinas de vapor.

El primer controlador con regulación automática usado en la industria fue el regulador centrífugo de James Watt (como el que se muestra en la figura 1.2), desarrollado en 1769; la finalidad del regulador era controlar la velocidad de una máquina de vapor, un par de contrapesos giratorios se acoplaban a la válvula de admisión de vapor al aumentar la velocidad del motor se elevaban los contrapesos y

Figura 1.1 Reloj de agua de Ktesibios

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consecuentemente cerraban la válvula, al entrar menos vapor la velocidad disminuía y los contrapesos bajaban, y se volvía a abrir la válvula, el inconveniente de este sistema era que los contrapesos necesitaban potencia de la máquina y eso hacia mas inexacta su medición.

Jacquard inventó en 1801 un telar que funcionaba con unas tarjetas perforadas que dirigían los hilos para tejer de forma automática, fue el antecesor del control programado.

En el siglo XIX se comenzaron a desarrollar teorías matemáticas de control, en 1868 J.C. Maxwel desarrolló un modelo matemático para el controlador de la máquina de vapor. Para el año de 1927, Bode analiza los amplificadores realimentados y 14 años después Nyquist desarrolla un sistema para analizar la estabilidad de los sistemas.

La Segunda Guerra Mundial fue el propulsor del control automático, ya que era necesario desarrollar más y mejores sistemas para aviones, tiro, sistemas de radares, y demás sistemas militares.

Con el advenimiento de la era espacial, se dio un nuevo impulso para los sistemas de control, perfeccionando los satélites y su mando en el exterior. Para 1997 ya se había enviado el primer vehículo de exploración marciana autónomo, el sojourner. Para el siglo XXI los avances en micro y nanotecnología han creado máquinas inteligentes casi autónomas.

Figura 1.2 Regulador centrífugo de Watt

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En 1981 IBM introdujo una computadora personal, que podía utilizarse para fines personales o dentro de las pequeñas empresas, esto comenzó a cambiar el modo en que se controlaban los procesos.

El control vía PC consta básicamente de tres partes básicas: la computadora, el software de control y el o los dispositivos de entrada y salidas, los software para control se han definido como software de supervisión de procesos, de control o de adquisición de datos, esto nos ha permitido ampliar enormemente las funciones que se pueden tener con una PC de un modo más sencillo y barato.

1.3 Motores de corriente alterna

Un motor se define como una máquina capaz de transformar la energía eléctrica en energía mecánica para efectuar un trabajo.

Los motores basan su funcionamiento en distintos fundamentos, el primero es que al pasar corriente por un conductor, este produce un campo magnético a su alrededor, al enrollarlo se produce una bobina, los motores están hechos de bobinas que producen un campo magnético circular, como segundo principio, si dentro se coloca un conductor por donde circula corriente eléctrica, este girará perpendicularmente a las líneas de flujo magnético, esta es la fuerza de Lorentz.

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Dentro de sus clasificaciones los motores se dividen en motores de corriente directa y corriente alterna.

Los motores de corriente continua tienen la siguiente clasificación según su forma de conectarse:

Además actualmente son usados otros motores en electrónica:

o Motores a Pasos o Servomotores o Motor sin núcleo

Figura 1.3 Motor de excitación en serie

Motores de corriente continua

Motores de excitación en serie

Motores de excitación en paralelo Motores de excitación compuestos

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Velocidad de giro

Tipo de Rotor

No. De fases de alimentación

Síncronos

Asíncronos

De anillos deslizantes

De anillos jaula de ardilla

Monofásico Bifásico

Trifásico

Con arranque auxiliar bobinado Trifásico Sincronizados Con rotor de Imán

permanente Los motores de Corriente Alterna tiene la siguiente clasificación:

1.3.1 Los motores síncronos

Estos motores tienen la característica de tener velocidades constantes y están en función de la frecuencia de la red a la que se alimenten y el número de polos del motor. En este tipo de motores el campo magnético del rotor gira a la misma velocidad que lo hace el del estator, esta es su velocidad de sincronismo.

Motores de corriente alterna

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La velocidad se define con la siguiente fórmula:

n = 120 ∗ f p Donde:

f: es la frecuencia de alimentación p: es el número de polos del motor

Este tipo de motores funciona alimentando al estator con corriente alterna y al rotor con corriente directa. Para inducir corriente directa en el rotor se utilizan escobillas y anillos rozantes, sin embargo, estos elementos se desgastan con el tiempo y a largo plazo producen problemas, por ello se utilizan más los mecanismos sin escobillas para inducir corriente directa en el rotor. Por otro lado, se induce corriente alterna en el estator y se genera un campo magnético en el estator, cuando ambos campos se sincronizan el motor gira y su velocidad es constante a pesar de la carga.

Aunque son muy fiables para grandes cargas no son tan sencillos de sincronizar, para ello se utiliza un motor auxiliar que acelera al rotor para alcanzar la velocidad de sincronismo, pues en su más pura forma el rotor solo vibraría cuando ambos campos magnéticos están inducidos.

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Para que exista un acoplamiento entre ambos campos magnéticos el estator y el rotor tienen el mismo número de polos.

Su arranque puede ser por de cuatro maneras:

1. Reducción de la frecuencia eléctrica. Si los campos magnéticos del estator en un motor síncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del estator. Entonces, se puede incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominal de 50Hz.

Figura 1.4 Ejemplo de las posiciones de un motor síncrono. Dos pares de polos en el rotor se acoplan con el campo magnético del estator

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2. Arranque con un motor primario externo. Para llevar al motor a su velocidad síncrona se le puede adjuntar un motor de arranque externo. Una vez alcanzada esta velocidad, se conecta la máquina en paralelo a la red y se desconecta el motor primario del eje. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor que arranca ya que sólo debe superar la inercia de la máquina síncrona en vacío.

3. Arranque con devanados de amortiguamiento. Éste es el método más popular de arranque.

Recibe el nombre de devanado porque reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las máquinas: acoplamiento a la red, vibraciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, etc. Esto crea un rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera un motor asincrónico trifásico.

4. Arranque automático. Mediante el siguiente circuito se puede arrancar al motor de forma automática. Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del motor. En el instante de arranque el rotor tiene la frecuencia de la red (alta frecuencia). En el circuito del rotor, que alimenta la resistencia de arranque, para que ésta absorba la tensión elevada de las bobinas de los polos, aparece una diferencia de potencial a los bornes de la reactancia. Esta diferencia de potencial alimenta una bobina del relé polarizado, que mantiene abierto los contactos del mismo. La máquina arranca como motor asíncrono debido a la jaula de ardilla que poseen los polos del rotor. A medida que aumenta la velocidad, la frecuencia del rotor disminuye, por consiguiente disminuye la diferencia de potencial a los bornes de la reactancia hasta que ésta no puede mantener el yugo del relé, ya cercana a la velocidad de sincronismo, y cierra los contactos de él. Al cerrarse este contacto se alimenta la bobina del contacto, quien cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera alimentado el rotor por corriente continua y funcionando en sincronismo.

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1.3.2 Motor Asíncrono

En 1888 Galileo Ferraris y Nicholas Tesla desarrollaron cada quien por separado un motor basado en la producción de campos magnéticos, el de mayor interés fue el de Tesla, pues su diseño era más práctico.

Para 1890 el Ingeniero Dolivo Dobrowolsky desarrolló el motor asíncrono trifásico.

EL motor asíncrono es un motor de inducción, está formado por un rotor y un estator, a diferencia del motor síncrono, en el motor asíncrono los campos magnéticos no giran a la misma velocidad, a la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad del rotor se le llama deslizamiento y se expresa con la siguiente fórmula:

S = ^Ns−Nr

Ns

Figura 1.5 Deslizamiento en el motor asíncrono

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Los motores asíncronos son más baratos y sencillos de construir, en el caso de los motores trifásicos, arrancan solo conectándolos a la línea trifásica.

Los motores asíncronos se dividen según su número de devanados en el estator:

• Monofásicos. Funcionan alimentándose de una fase y un neutro, son utilizados en aplicaciones típicas en el hogar

• Motores Bifásicos, las fases están defasadas ^π

2P siendo P el numero de pares de polos, se utilizan en aplicaciones de posición

• Motores Trifásicos, donde las fases están defasadas 120º determinadas por la ecuación ^2π

3P estos motores se suelen utilizar en aplicaciones industriales.

Los motores Asíncronos se clasifican también según el tipo de rotor:

1.3.2.1 Motores tipo jaula de Ardilla.

Los motores jaula de ardilla son los motores trifásicos más comunes, se llaman así por su semejanza a las jaulas del hámster, dos añillos están unidos en sus extremos formando espiras con el conductor opuesto, esto pone en corto circuito a los anillos. Los motores de inducción son básicamente un transformador.

Cuando se le aplica corriente al estator se genera un campo magnético que comienza a girar alrededor del rotor jaula de ardilla. El campo magnético giratorio corta las barras del rotor e induce una corriente en dichas barras, esta corriente produce un campo magnético alrededor de las barras del rotor

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El campo magnético del rotor es atraído por el campo magnético del estator y el rotor comienza a girar en la misma dirección en que gira el campo magnético del estator.

Sin carga el estator trata de alcanzar la velocidad del campo magnético del rotor, y que nunca la alcanza si llega bastante cerca.

Pueden ser monofásicos o trifásicos.

Figura 1.6a Campo magnético del rotor Figura 1.6b Campo magnético del rotor y campo magnético del estator

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En la figura siguiente se muestran sus partes

1.3.2.2 Motor de rotor Bobinado.

El motor asíncrono de rotor bobinado consta de un rotor construido por tres bobinados independientes, que se colocan en la parte exterior del rotor compuesto por chapas magnéticas apiladas entre si y cada bobinado va unido a un anillo rozante en el eje del motor, y en cada anillo hay una escobilla que hace las conexión de los tres devanados con el exterior.

Figura 1.7 Partes de un motor jaula de ardilla

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Las desventajas de este tipo de motor es que es más difícil de construir y de dar mantenimiento, pero a diferencia de los motores de jaula de ardilla, la resistencia de este tipo de rotor es variable, por ello se puede utilizar un reóstato para variar la velocidad y el par, así como para reducir la corriente de arranque.

Este tipo de motores tiene la ventaja de que los pares del motor se puede incrementar hasta 2.5 veces el par nominal y una corriente menor en comparación al de jaula de ardilla.

Estos motores se caracterizan por lo siguiente:

• Generalmente utilizan bobinados fraccionarios.

• El número de polos del rotor es igual al del estator.

• EL número de ranuras en el rotor tiene que ser diferente al del estator, para evitar puntos muertos en el arranque.

Figura 1.8 Ejemplo de un motor con rotor bobinado

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1.3.3 Arranque Delta y Estrella.

El motor trifásico tiene tres devanados, cada uno tiene dos puntas, es decir que en la caja de bornes del motor existen 6 cables, las cargas trifásicas se pueden conectar en delta o estrella, siendo la deferencia entre uno y otro únicamente la preferencia o aplicación. Los motores trifásicos utilizan estos en cualquier tipo de conexión, los devanados están desfasados 120º.

1.3.3.1 Conexión en Delta

Si numeráramos cada punta de los devanados la punta 1 se uniría con la 6, la 2 con la 3 y la 4 con la 5, este tipo de conexión nos da la forma de un triangulo, por ello se le denomina Delta. Como se muestra en la figura, cada devanado conserva el voltaje de las líneas, sin embargo la corriente es aproximadamente 1.73 veces la corriente de las líneas, en cada devanado, es decir, la corriente es √3 . Por lo tanto este tipo de corriente suministra un aumento de corriente, pero no de voltaje.

Figura 1.9 Conexión Delta o Triangulo

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1.3.3.2 Conexión Estrella.

La conexión en estrella se le llama también conexión en Y, por la forma que toman los devanados al conectarse. A diferencia de la conexión en delta lo que se mantiene es la corriente de la línea principal y el voltaje es 1.73 veces el voltaje de la línea, es decir el voltaje es √3.

Mientras la conexión en Delta aumenta la corriente, la conexión en estrella aumenta el voltaje.

1.4 Regulación de velocidad

Para variar la velocidad se puede hacer por medios mecánicos, como colocar un juego de engranes, poleas o cadenas, pero suelen ser velocidades fijas.

En los motores trifásicos se puede variar la velocidad variando la frecuencia mediante un equipo electrónico o variando la polaridad, esto último es exclusivo de los motores de devanado separado.

Figura 1.10 Conexión en estrella o Y

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Para variar la velocidad de un motor asíncrono se puede variar la frecuencia de alimentación del motor, para ello se utiliza un variador de frecuencia que nos presenta las siguientes ventajas:

• Tener control sobre el par del motor y la velocidad

• Regular los golpes mecánicos y

• Controlar tensión del motor

Es necesario variar también el voltaje pues si sólo se varía la frecuencia se saturaría el flujo magnético y se dañaría el motor.

Un variador de frecuencia modifica la frecuencia independientemente de la frecuencia de la red de alimentación.

Los variadores de velocidad cuentan con funciones específicas que se enlistan a continuación:

• Aceleración controlada: por medio de rampas de aceleración, en los equipos electrónicos esta rampa es programable.

• Variador de Velocidad: variando la frecuencia pero también se tiene que regular el voltaje de entrada al motor.

• Regulador de Velocidad: esta regulación se realiza haciendo una comparación con el valor deseado, esto es utilizado en los sistemas de Lazo cerrado.

• Desaceleración controlada: Es también un parámetro programado, se controla por medio de una rampa y es independiente de la rampa de aceleración.

• Inversión de giro del motor: La inversión se realiza por una conmutación en las fases.

• Frenado: Consiste en detener el motor sin ser necesario intervenir en la rampa de desaceleración.

• Protección del motor: protección contra sobrecorriente, o falta de esta.

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1.4.1 Regulación de la velocidad de un Motor con Rotor Bobinado

Se puede regular la velocidad de un motor de rotor bobinado por medio de resistencias conectadas en el inducido, generalmente al interior del motor los devanados están conectador en estrella, pues en la caja de bornes sólo hay tres cables. La velocidad de giro depende del valor de las resistencias del rotor.

Uno de los inconvenientes de este sistema es que para disipar la cantidad de electricidad en el inducido se requieren grandes resistencias. La corriente rectificada en el rotor y filtrada por una inductancia se disipa en la resistencia de potencia.

Esta corriente se puede controlar por medio de un tiristor, esto hará que el rotor gire a mayor o menor velocidad.

Figura 1.11 Arranque automático en varias etapas de un motor de rotor

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1.4.2 Convertidores de frecuencia Rotativos con frecuencia de salida fija.

La máxima velocidad que se puede obtener con una frecuencia de 60 Hz, que es la frecuencia industrial en nuestro país es de 3600 rpm para un motor asíncrono. Para poder incrementar esta velocidad de utiliza un el convertidor de frecuencia rotativo con frecuencia de salida fija, que se compone de una máquina asíncrona que es un motor tipo jaula de ardilla que es la parte motriz y la máquina conducida que es un motor de rotor bobinado que hace de generador.

Tomando en cuenta que la frecuencia de la tensión inducida en el devanado de un generador es proporcional a la velocidad relativa de los conductores con el campo magnético, tomamos el siguiente ejemplo para explicar el funcionamiento del convertidor de frecuencia con frecuencia de salida fija:

Se conecta un motor asíncrono a una red trifásica y a su vez se conecta el motor de rotor bobinado que hace de generador.

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El rotor comenzará a girar a sus revoluciones nominales, en los anillos rozantes del generador parecerá una tensión determinada a una frecuencia superior a la de la línea eléctrica, si conectamos a la salida del generador el motor de 4 polos se tiene la siguiente relación:

Figura 1.12 Convertidor de frecuencia rotativo con salida de frecuencia fija.

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n = 120 ∗ 200

4 = 6000 rpm Suponiendo la nueva frecuencia del generador de 200 Hrz.

Para conocer la frecuencia obtenida con un convertidor rotativo de frecuencia fija se utiliza la siguiente fórmula:

F_G= F_M�1 +P_G P_M� Donde:

FG = Frecuencia Obtenida en el generador FM = Frecuencia a la que se conecta el motor.

PG = Pares de polos del generador.

PM = Pares de polos del motor.

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Capítulo 2 Electrónica y Microcontroladores Página 23

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CAPÍTULO 2 ELECTRÓNICA Y MICROCONTROLADORES.

2.1 Conceptos básicos de electrónica

La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.

La electrónica forma parte de muchos de los aparatos que conocemos y con los que estamos relacionados día a día. A lo lago de la historia ha evolucionado y se ha adaptado a renovado según los desarrollos, después de los años 40 con la llegada de los transistores, se inicio en la electrónica un cambio pues los componentes ofrecían ventajas por ser más duraderos, pequeños y eficientes. Estos nuevos dispositivos permitían que los aparatos electrónicos fueran más pequeños. Posteriormente en los años 50 se desarrollaron los circuitos integrados, permitiendo sistemas más complejos, dando paso la era de la microelectrónica.

Los elementos como los diodos, amplificadores operacionales, y demás elementos permiten al circuito electrónico tener muchas más funciones sin embargo, se puede convertir en una tarea muy compleja y que requiere muchos componentes, para ello hoy día se simplifican componentes usando memorias o procesadores.

En la industria, los componentes electrónicos han tomado mayor aceptación por que ofrecen más ventajas, son baratos y más prácticos comparados con muchos componentes mecánicos por ejemplo.

Actualmente, se utilizan muchos circuitos integrados que pueden desarrollar tareas lógicas complejas, como un micro procesador.

2.1.1 Señales analógicas y digitales

Los dos tipos de señales que se utilizan en la electrónico son las señales analógicas y las digitales.

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Las señales analógicas son un tipo de señal generada por un fenómeno electromagnético, se representa por una función matemática, donde se observa que su amplitud y perido son variables en función del tiempo. Ejemplos de este tipo de señales son:la luz, el sonido, la corriente, la potencia etc.

Las señales digitales son señales generados por fenómenos electromagnéticos, pero a diferencia de las señales digitales, estas señales se representan con valores discretos, es decir que los valores que se toman suelen ser valores en saltos, valores de verdadero o falso o de numero entraros por ejemplo.

Figura 2.1 Señal Analógica.

Figura 2.2 Señal Digital

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2.2 Microcontroladores.

Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene las funciones de una computadora y su trabajo es comunicarse con otras máquinas, a diferencia de las computadoras los microcontroladores son más baratos y mucho más compactos. Estos dispositivos están compuesto de cuatro partes principales: la memoria ROM, que es la que almacena el programa; la memoria RAM, que es donde serán almacenados los datos; las líneas de entrada/salida, que son los puertos que se comunican con el exterior y la unidad de proceso (CPU) que es donde se controla y se ejecuta el programa cargado. La figura 2.1 muestra un diagrama general.

Los microcontroladores están diseñados para controlar otra máquina, desde un horno de microondas hasta los frenos de un auto, están creados para aplicaciones donde una computadora completa no sería adecuada o sería más cara.

El funcionamiento del microcontrolador está determinado por el programa que almacena, y hoy en día estos dispositivos se pueden reprogramar más fácilmente.

2.2.1 Estructura del microcontrolador.

A pesar de la versatilidad de los microcontroladores, los fabricantes siguen cierta estructura y características para todos ellos como las que se mencionan a continuación.

Figura 2.3 Diagrama de distribución de un Microcontrolador.

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2.2.1.1 Tipos de arquitectura

Existen básicamente dos tipos de arquitectura para el microcontrolador, por arquitectura entendemos el modo en que el CPU se organiza y cómo accede a la memoria.

La arquitectura Von Neumann se usa en las computadoras personales y está organizada de modo que la memoria funciona como una sola unidad que comprende el programa y los datos y utiliza un bus de datos, uno de direcciones y uno de control.

El ancho del bus de la memoria define el tamaño de la unidad de datos, es decir que si el microprocesador es de 8 bits y además tiene un bus de 8 bits conectado a la memoria debe manejar datos de una longitud de una o más unidades de 8 bits, si el dato es más largo, debe realizar más de un acceso a la memoria.

Figura 2.4 Arquitectura Von Neumann.

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Esto representa algunas desventajas para este tipo de arquitectura:

• La longitud de las instrucciones está limitada por el tamaño del bus, si una instrucción es más larga, el microprocesador tendrá que hacer más accesos a la memoria.

• La velocidad de operación (ancho de banda) está limitada por el cuello de botella que implica un único bus de datos e instrucciones.

Por otra parte, la arquitectura Harvard se utiliza más en microcontroladores ya que se separan la memoria de datos y la de programa y cada una tiene su propio bus de datos, de dirección y de control, su ventaja es que se puede acceder a las memorias de forma simultánea y así aumentar la velocidad de procesamiento.

Como ventajas de esta arquitectura se pueden observar las siguientes:

• El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de datos, son independientes.

• Se pueden tener mayores velocidades de operación.

Figura 2.5 Arquitectura Harvard

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2.2.1.2 Procesador.

Probablemente el elemento más importante del microprocesador, es el encargado de leer la instrucción, después enviarla a su unidad central para decodificarla, posteriormente se ejecuta y los resultados se escriben en los registros, los espacios de memoria destinados a almacenar datos de la memoria externa.

El procesador también tiene una arquitectura característica, la utilizada en los microcontroladores es la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido) En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo.

2.2.1.3 Memoria de programa.

En la memoria de programa del microcontrolador se almacenan las instrucciones del programa de control que se graban de forma permanente, para ello hay cinco tipos de memorias:

1. ROM con máscaras.

Read Only Memory. Se graba en el chip durante la fabricación y ya no se puede borrar, la programación se realiza con un negativo fotográfico que se denomina máscara y que especifica las conexiones internas de la memoria.

2. EPROM.

Erasable Programmable Read Only Memory. Se graba con un grabador controlado por una computadora, y para su proceso de borrado el chip interno tiene una ventanita que se somete a una luz ultravioleta.

3. EEPROM.

Electrical Erasable Programmable Read Only Memory. Es similar a la EPROM, con la diferencia de poderse programar y borrar en el mismo grabador, además de que las palabras se pueden borrar de forma individual y no es necesario borrar algo previamente escrito antes de volver a escribir.

4. OTP’s

Solo se grava una vez y ya no se puede borrar, se aconseja en series finales y en prototipos.

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5. FLASH

Las memorias FLASH contiene ciertas características de las memorias anteriores, y son las utilizadas por los PIC’s, se puede escribir y borrar eléctricamente igual que las EEPROM, con la característica de que tiene mayor capacidad y son mas baratas.

2.2.1.4 Memoria de Datos

Dado que los datos manejados por los programas varían, se manejan en una memoria RAM, ésta almacena información temporal que es la utilizada por el procesador. En el caso de los microcontroladores, la memoria utilizada es la SRAM (Static Random Access Memory).

2.2.1.5 Periféricos

A excepción de las patitas que están destinadas a la alimentación, el reset, y el cristal, las demás patitas del microcontrolador sirven para conectarse a otros periféricos permitiendo enviar o recibir datos del exterior según lo que se desee; sin embargo, muchos microcontroladores tienen recursos auxiliares específicos.

A continuación se mencionan los más comunes:

a) Circuito de reloj, se ocupa de sincronizar el sistema mediante la generación de pulsos. Es usualmente un cristal de cuarzo que general la señal oscilatoria de entre 1 a 40 MHrz.

b) Temporizadores, controlan tiempos.

c) Perro Guardián («watchdog»), si el programa se bloquea es el encargado de inicializar nuevamente.

d) Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas.

e) Comparadores analógicos, Comparan dos señales y envían niveles de 0 o 1.

f) Sistema de protección ante fallos de la alimentación.

g) Estado de Reposo, Utilizado para reducir el consumo de energía.

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Los recursos dependen del Microcontrolador que se utilice, ya que puede contener más o menos periféricos auxiliares.

2.3 PIC´s

Los Circuitos Integrados Programables PIC´s son microcontroladores muy útiles en la electrónica de consumo. El microcontrolador PIC es desarrollado por la empresa Mcirochip Technology.

Hoy en día multitud de PICs vienen con varios periféricos incluidos (módulos de comunicación serie, UARTs, núcleos de control de motores, etc.) y con memoria de programa desde 512 a 32.000 palabras (una palabra corresponde a una instrucción en lenguaje ensamblador, y puede ser 12, 14 o 16 bits, dependiendo de la familia específica de PICmicro).

Microchip ha dividido las familias de los microcontroladores según el número de bits de su bus de instrucciones, tipo de memoria y rangos de volatje, como se muetra en las siguientes tablas:

Subfamilia Bits del Bus de

instrucciones

Nomenclatura

Base-Line 12 PIC 12XXX

PIC14XXX

Mid – Range 14 PIC16XXX

High - End 16 PIC17XXX y

PIC18XXX

Tabla 2.1 Subfamilias por bus de instrucciones

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Tipo de Memoria Rango de voltajes

Estándar Extendido

EPROM PIC16CXXX PIC16LCXXX

ROM PIC16CRXXX PIC16LCR

Flash PIC16FXXX PIC16LFXXX

Rango de Voltaje

EPROM ROM Flash

Estándar C 4.5 a 6V CR 4.5 a 6V F 4.5 a 6V Extendido LC 2.5 a 6V LCR 2.5 a 6V LF 2.5 a 6V

Dentro de la familia PIC16XXX tenemos uno en particular que no es de los más recientes, sin embargo ofrece grandes prestaciones en relación a que se puede trabajar con señales analógicas, es de fácil programación y tiene un bajo costo, es el PIC 16F877 como sus características principales podemos mencionar las siguientes:

• Es un PIC de la familia de 8 bits, (bus de datos).

• Su arquitectura es tipo Harvard.

• Utiliza tecnología CMOS.

• CPU RISC

• 35 de sus instrucciones son las más importantes.

• Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj, excepto los saltos que requieren dos.

Tabla 2.2 Subfamilia por tipo de memoria

Tabla 2.3 Subfamilia por rango de voltajes

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• Frecuencia de operación de 0 a 20Mhz.

• Hasta 8k x 14 bits de memoria Flas de programa.

• Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM).

• Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM.

• Hasta 4 fuentes de interrupción.

• Stack de hadware de 8 niveles.

• Reset de encendido POR.

• Timer de encendido PWRT.

• Timer de arranque de oscilador OST.

• Sistema Watchdog.

• Protección programable de código.

• Modo de bajo consumo de energía.

• Opciones de selección de oscilador.

• Programación y depuración serie “in circuit” ICSP a través de las patitas.

• Lectura / escritura del CPU a la memoria Flash del programa.

• Rangos de volatje de 2 a 5.5 V y bajo consumo de potencia.

Para fines de esta investigación se ha elegido este tipo de microcontrolador por tener amplios usos.

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2.4 Manejo de puertos digitales en el PIC.

EL PIC 16F877 tiene 5 puertos nombrados de la A a la E que pueden funcionar como entradas o salidas digitales, el puerto A contiene 6 bits (RA0-5), el puerto B (RB0-7), el puerto C (RC0-7), el puerto D (RD0-7) y el puerto E (RE0-2).

Para configurar los puertos de utiliza la siguiente secuencia:

• Ingresar al Banco 1

• Configurar los puertos (Registros TRISA, TRISB, TRISC y TRIS D)

Figura 2.6 Diagrama de bloques del PIC 16f877

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• Regresar al banco 0

• Escribir o leer los datos del puerto.

En el PIC 16F877 su memoria está organizada en cuatro bancos, en las primeras posiciones de la memoria se encuentran las funciones especiales y a partir de 0x05 hasta ox09 están los puertos Port A, PRT B, PORT C y PORT D que se usan para leer y escribir datos y las posiciones 0x85 hasta la 0x89 se encuentran los registros que es donde se configuran los puertos.

Para configurar un puerto como entrada o salida colocaremos 0 para salida y 1 para entrada en los registros TRIS y la lectura y escritura se realiza a través de los puertos PORT.

Por ejemplo, el algoritmo que configura el puerto B como salida y el A como entrada tiene la siguiente secuencia:

Inicio

Ir al banco 1

PORT A= 11111111

PORT B= 00000000

Figura 2.7 Diagrama de flujo de configuración de puertos PIC

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2.4.1 Convertidor Analógico Digital

Los convertidores analógico digital convierten una señal de entrada analógica en una salida de n bits digital. Comúnmente se abrevian A/D.

La resolución en un convertidor A/D se define como la mínima variación de voltaje en la entrada que cambia el valor digital en la salida. Por ejemplo un convertidor de 10 bits tiene un total de 210 valores (1024 valores de 0 a 1023).

Si tenemos 10V a la entrada la resolución seria de 9,765mV. En este caso el voltaje es de 10V a 0V pero pueden variar. Por ejemplo si tenemos de 10v a 5v la resolución será:

Resolución= (10v – 5v)/1024=4.88 mV

Una fórmula para el cálculo será:

Resolución= (Vref2-Vref1)/1024

Donde las tensiones de referencia son 10V y 5V.

El PIC 16F877 cuenta con 8 canales de entrada y por cada canal la conversión de la salida se plasma en un número binario de 10 dígitos.

Para la operación del módulo usamos cuatro registros:

Registro de resultado de byte alto de la conversión A/D (ADRESH). Banco 0, 0x1E Registro de resultado de byte bajo de la conversión A/D (ADRESL). Banco 1, 0x9E Registro 0 de control del módulo A/D (ADCON0). Banco 0, 0x1F

Registro 1 de control del módulo A/D (ADCON1). Banco 1, 0x9F

Para configurar las funciones de los pines usamos el registro ADCON y los resultados de la conversión de 10 bits se almacenan en los registros ADRESH:ADRSESL y además el bit GO/-DONE (registro

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ADCON bit 2) se pone a 0-lógico y el bit ADIF (registro PIR1 bit 7) se pone como 1-lógico. El registro PIR1 ocupa la posición 0x0C del banco 0.

La figura 2.8 muestra el diagrama de bloques del convertidor del PIC 16F877:

Después de la configuración del módulo AD esperamos cierto tiempo mientras se adquiere la señal.

A continuación se muestran los pasos de la secuencia de uso:

1. EL primer paso es configurar el módulo A/D: (lo cual significa)

• Configurar pines de entrada de los canales analógicos a usar, es decir los voltajes de referencia (en el registro ADCON1)

• Seleccione el canal de entrada al módulo A/D (en el registro ADCON0)

Figura 2.8 Diagrama de bloques del convertidor analógico digital del 16f877

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• Seleccione el clock, reloj, de conversión A/D (en el registro ADCON0)

• Ponga a funcionar el módulo A/D (en el registro ADCON0) 2. El segundo paso es configurar la interrupción del A/D si así se requiere:

• ADIF=0 -lógico (bit que indica si se produjo una conversión)

• ADIE=1-lógico (habilitador de interrupción del modulo analógico)

• PEIE=1 lógico (habilitador de interrupción de periféricos)

• GIE=1-lógico (Habilitador general de interrupciones)

3. Espere por el tiempo de adquisición (es el tiempo que se demora en trabajar el bloque de sampling and hold)

4. Comienzo de la conversión

GO/-DONE=1-lógico (en el registro ADCON0)

5. Esperar el tiempo de la conversión. Para saber si la conversión termino podemos:

• Revisar el bit GO/-DONE esperando que sea de nuevo 0 -lógico

• esperar al flag de ADIF sea 1-lógico (puede emplearse como interrupción)

6. Leer el resultado del A/D en el par de registros (ADRESH:ADRESL). No debemos olvidar colocar el bit

ADIF a 0-lógico (si se requiere)

7. Para la siguiente conversión, regrese al paso 1 o paso 2 dependiendo si solo se usa uno o más canales.

Para que el conversor analógico digital trabaje de modo optimo se recomienda que la impedancia para la fuente analógica sea de 10 K homs, entre menor sea la impedancia menor será el tiempo de adquisición.

Otro parámetro importante es la T_ADque es el tiempo de conversión de AD PORT BIT. EL mínimo de T_AD para 10 bits de conversión es de 12 T_AD. La fuente para el clock se selecciona por software y se pueden tener 7 posibles valores:

• 2Tosc

• 4Tosc

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• 8Tosc

• 16Tosc

• 32Tosc

• 64Tosc

• Oscilador RC interno que tiene el modulo A/D (crea un retardo de 2us a 6 us).

Para su óptimo funcionamiento el módulo el clock de conversión debe ser seleccionado para asegurar un TAD de 1.6 us como mínimo.

2.5 Lenguaje ensamblador

El lenguaje ensamblador es un lenguaje de bajo nivel, utiliza instrucciones llamadas nemotécnicos por ejemplo: ADD, SUM, MOV, etc. El programa en lenguaje ensamblador pasa por un programa ensamblador, que traducirá las instrucciones a lenguaje máquina para ser comprendido por el procesador. En general se usa para programar controladores. El lenguaje ensamblador tiene el inconveniente de ser difícil de leer, escribir, entender y depurar, sin embargo, son más rápidos y mucho menos pesados que si fueran escritos en otros lenguajes más sencillos.

Microchip tecnology utiliza lenguaje ensamblador para la programación de los microcontroladores PIC’s, el programa ensamblador para PIC’s es por excelencia el Mplab de microchip, sin embargo no es el único.

Los PIC’s utilizan un set de instrucciones para su programación en Mplab. La tabla 2.1 muestra las instrucciones básicas.

Mnemotécnico Descripción Ciclos Código de máquina

Operaciones con el archivo de registros orientados a bytes

ADDWF f,d Suma f + W 1 00 0111 dfff ffff

(50)

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ANDWF f,d W AND f 1 00 0101 dfff ffff

CLRF f Limpia f 1 00 0001 1fff ffff

CLRW Limpia W 1 00 0001 0xxx xxxx

COMF f,d Complementa los bits de f

1 00 1001 dfff ffff

DECF f,d Decrementa f en 1 1 00 0011 dfff ffff

DECFSZ f,d Decrementa f, escapa si 0

1(2) 00 1011 dfff ffff

INCF f,d Incrementa f en 1 1 00 1010 dfff ffff

INCFSZ f,d Incrementa f, escapa si 0 1(2) 00 1111 dfff ffff

IORWF f,d W OR f 1 00 0100 dfff ffff

MOVF f,d Copia el contenido de f 1 00 1000 dfff ffff MOVWF f Copia contenido de W

en f

1 00 0000 1fff ffff

NOP No operación 1 00 0000 0xx0 0000

RLF f,d Rota f a la izquierda 1 00 1101 dfff ffff

RRF f,d Rota f a la derecha 1 00 1100 dfff ffff

SUBWF f,d Resta f – W 1 00 0010 dfff ffff

SWAPF f,d Intercambia nibbles de f 1 00 1110 dfff ffff

XORWF f,d W EXOR f 1 00 0110 dfff ffff

Operaciones con el archivo de registros orientadas a bits

BCF f,b Limpia bit b en f 1 01 00bb bfff ffff

BSF f,b Pone bit b en f 1 01 01bb bfff ffff

BTFSC f,b Prueba bit b en f, escapa 1(2) 01 10bb bfff ffff

(51)

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si 0

BTFSS f,b Prueba bit b en f, escapa si 1

1(2) 01 11bb bfff ffff

Operaciones con literales y de control

ADDLW k Suma literal k + W 1 11 111x kkkk kkkk

ANDLW k k AND W 1 11 1001 kkkk kkkk

CALL k Llamado a subrutina 2 10 0kkk kkkk kkkk

CLRWDT Limpia timer del

watchdog

1 00 0000 0110 0100

GOTO k Salto a la dirección k 2 10 1kkk kkkk kkkk

IORLW k k OR W 1 11 0000 kkkk kkkk

MOVLW k Copia literal a W 1 11 00xx kkkk kkkk

RETFIE Retorna de interrupción 2 00 0000 0000 1001 RETLW k Retorna con literal k en

W

2 11 01xx kkkk kkkk

RETURN Retorna de subrutina 2 00 0000 0000 1000

SLEEP Activa Modo standby 1 00 0000 0110 0011

SUBLW k Resta k - W 1 11 110x kkkk kkkk

XORLW k k EXOR W 1 11 1010 kkkk kkkk

2.6 Protocolos de comunicaciones

Un protocolo de comunicación es el conjunto de normas para realizar la comunicación, es un acuerdo entre dispositivos para transferir la información.

Tabla 2.4 Set de instrucciones.