informe diseño final.docx

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITOESPE

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

DISEÑO ELECTRÓNICO

PROYECTO FINAL

DISEÑO DE UNA PLACA EN PCB DE DOBLE CARAPARA CONTROL POR MEDIO DE MICROCONTROLADOR

PIC 16F877AY APLICACIÓN DE CONTROL DE TEMPERATURA

CON INTERFAZ HMI

Integrantes:

Solarte EnriquePlaces VanessaMoya Gabriela

Chimarro Daniel

2011-07-15Séptimo “B”

Sangolquí – Ecuador

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ESPE Diseño Electrónico Ing. Pablo Ramos

INFORME DE DESARROLLO

1. OBJETIVOS

Aplicar los conocimientos adquiridos en base a la norma IPC 2221, criterios de diseño

electrónico y técnicas soldadura para desarrollar una placa de PCB de doble capa bajo

criterios adecuados de diseño y basado en estándares y normativas reguladas y

reconocidas.

Diseñar, calcular y elaborar una placa PCB de doble capa controlada por

microcontrolador PIC 16F877A de variadas funcionalidades, que actúe como un

circuito de control genérico para ciertas aplicaciones.

Desarrollar una aplicación específica de control de temperatura con interfaz HMI,

utilizando como base de desarrollo la placa de PCB creada bajo norma.

2. MARCO TEORICO

PUERTO SERIAL O SERIE:

Un puerto serie o puerto serial es una interfaz de comunicaciones de datos digitales,

frecuentemente utilizado por computadoras y periféricos, donde la información es transmitida

bit a bit enviando un solo bit a la vez, en contraste con el puerto paralelo que envía varios bits

simultáneamente. La comparación entre la transmisión en serie y en paralelo se puede explicar

usando una analogía con las carreteras. Una carretera tradicional de un sólo carril por sentido

sería como la transmisión en serie y una autovía con varios carriles por sentido sería la

transmisión en paralelo, siendo los vehículos los bits que circulan por el cable.

En informática, un puerto serie es una interfaz física de comunicación en serie a través de la

cual se transfiere información mandando o recibiendo un bit. A lo largo de la mayor parte de la

historia de las computadoras, la transferencia de datos a través de los puertos de serie ha sido

generalizada. Se ha usado y sigue usándose para conectar las computadoras a dispositivos

como terminales o módems. Los mouses, teclados, y otros periféricos también se conectaban

de esta forma.

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Conector Macho RS-232 Serial

SISTEMA DE CONEXIÓN SERIAL RS-232

Denominada como Recommended Standard 232, también conocido como Electronic Industries

Alliance RS-232C es una interfaz que designa una norma para el intercambio serie de datos

binarios entre un DTE (Equipo terminal de datos) y un DCE (Data Communication Equipment,

Equipo de Comunicación de datos), aunque existen otras en las que también se utiliza la

interfaz RS-232.

En particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro tipo de equipamientos, como

pueden ser computadores. Evidentemente, en el caso de interconexión entre los mismos, se

requerirá la conexión de un DTE (Data Terminal Equipment) con otro DTE. Para ello se utiliza

una conexión entre los dos DTE sin usar módem, por ello se llama: null módem ó módem nulo.

El RS-232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines), aunque es normal encontrar la

versión de 9 pines (DE-9), más barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos.

Los circuitos y sus definiciones:

Las UART o U(S) ART (Transmisor y Receptor Síncrono Asíncrono Universal) se diseñaron para

convertir las señales que maneja la CPU y transmitirlas al exterior. Las UART deben resolver

problemas tales como la conversión de voltajes internos del DCE con respecto al DTE, gobernar

las señales de control, y realizar la transformación desde el bus de datos de señales en paralelo

a serie y viceversa. Debe ser robusta y deberá tolerar circuitos abiertos, cortocircuitos y

escritura simultánea sobre un mismo pin, entre otras consideraciones. Es en la UART en donde

se implementa la interfaz.

Generalmente cuando se requiere conectar un microcontrolador (con señales típicamente

entre 3.3 y 5 V) con un puerto RS-232 estándar se utiliza un driver de línea, típicamente un

MAX232 o compatible, el cual mediante dobladores de voltaje positivos y negativos permite

obtener la señal bipolar (típicamente alrededor de +/- 6V) requerida por el estándar.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:RS-232.jpeg

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Para los propósitos de la RS-232 estándar, una conexión es definida por un cable desde un

dispositivo al otro. Hay 25 conexiones en la especificación completa, pero es muy probable que

se encuentren menos de la mitad de éstas en una interfaz determinada. La causa es simple,

una interfaz full duplex puede obtenerse con solamente 3 cables.

Existe una cierta confusión asociada a los nombres de las señales utilizadas, principalmente

porque hay tres convenios diferentes de denominación (nombre común, nombre asignado por

la EIA, y nombre asignado por el CCITT).

En la siguiente tabla se muestran los tres nombres junto al número de pin del conector al que

está asignado (los nombres de señal están desde el punto de vista del DTE (por ejemplo para

Transmit Data los datos son enviados por el DTE, pero recibidos por el DCE):

MAX 232:

El MAX232 es un circuito integrado de Maxim que convierte las señales de un puerto serie RS-

232 a señales compatibles con los niveles TTL de circuitos lógicos. El MAX232 sirve como

interfaz de transmisión y recepción para las señales RX, TX, CTS y RTS.

El circuito integrado tiene salidas para manejar niveles de voltaje del RS-232 (aprox. ± 7.5 V)

que las produce a partir de un voltaje de alimentación de + 5 V utilizando multiplicadores de

voltaje internamente en el MAX232 con la adición de condensadores externos. Esto es de

mucha utilidad para la implementación de puertos serie RS-232 en dispositivos que tengan una

alimentación simple de + 5 V.

Las entradas de recepción de RS-232 (las cuales pueden llegar a ± 25 V), se convierten al nivel

estándar de 5 V de la lógica TTL. Estos receptores tienen un umbral típico de 1.3 V, y una

histéresis de 0.5 V.

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La versión MAX232A es compatible con la original MAX232, y tiene la mejora de trabajar con

mayores velocidades de transferencia de información (mayor tasa de baudios), lo que reduce

el tamaño de los condensadores externos utilizados por el multiplicador de voltaje, 0.1 μF en

lugar del 1.0 μF usado en el dispositivo original.

Una versión más nueva de este circuito integrado, el MAX3232 también es compatible con el

original, pero opera en un rango más amplio, de 3 a 5.5 V.

El MAX232 es compatible con las versiones de otros fabricantes ICL232, ST232, ADM232,

HIN232.

Una descripción más detallada del uso del MAX-232 se dará a continuación en el diseño del

respectivo circuito.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL:

Un amplificador operacional, es un circuito electrónico (normalmente se presenta como

circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos

entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

V out=G∗¿

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta,

multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su

nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de

banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún

ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada

son cero.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/MAX232_Pinout.svg

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Notación:

V+ corresponde a la entrada no inversora

V- corresponde a la entrada inversora

Vout corresponde a la salida del A.O

Vs+ corresponde a la alimentación positiva del Circuito Integrado

Vs- corresponde a la alimentación negativa (también es común tierra) del Circuito

integrado

REGULADORES DE VOLTAJE:

Un regulador de voltaje (también llamado estabilizador de voltaje o acondicionador de voltaje)

es un equipo eléctrico que acepta una tensión eléctrica de voltaje variable a la entrada, dentro

de un parámetro predeterminado y mantiene a la salida una tensión constante (regulada).

Los reguladores de voltaje protegen instalaciones eléctricas completas, aparatos o equipo

eléctrico sofisticado, fabricas, entre otros. El costo de un regulador de voltaje estará

determinado en la mayoría de los casos por su calidad y vida útil en funcionamiento continuo.

Regulador de Voltaje TO-220 de 5v

PUENTE RECTIFICADOR:

El puente rectificador es un circuito electrónico usado en la conversión de corriente alterna en

corriente continua. También es conocido como circuito o puente de Graetz, en referencia a su

creador, el físico alemán Leo Graetz.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/56/Opamppinouts.png

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Consiste en cuatro diodos comunes, que convierten una señal con partes positivas y negativas

en una señal únicamente positiva. Un simple diodo permitiría quedarse con la parte positiva,

pero el puente permite aprovechar también la parte negativa. El puente, junto con un

condensador y un diodo zener, permite convertir la corriente alterna en continua. El papel de

los cuatro diodos comunes es hacer que la electricidad vaya en un solo sentido, mientras que

el resto de componentes tienen como función estabilizar la señal. Usualmente se suele añadir

una etapa amplificadora con un transistor BJT para solventar las limitaciones que estos

componentes tienen en la práctica en cuanto a intensidad.

Puente Rectificador

RELÉ O RELEVADOR:

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor

controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se

acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos

eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.

Diferentes tipos de Relevadores

La principal función del relevador es actuar como un amplificador electrónico, es decir su baja

señal de alimentación (5v, 6v, 12v, 24v) permiten controlar otros circuitos independientes de

alto voltaje (generalmente de 110vac a 450vac).

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Electronic_component_relays.jpg

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MICROCONTROLADOR PIC-16F877A

El microcontrolador PIC16F877 de Microchip pertenece a una gran familia de

microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características generales

que los distinguen de otras familias.

Arquitectura Harvard

Tecnología CMOS

Tecnología RISC

Estas características se conjugan para lograr un dispositivo altamente eficiente en el uso de la

memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución.

Oscilador del Microcontrolador:

El microcontrolador, requiere de una conexión externa de oscilación que permite al dispositivo

trabajar en la frecuencia establecida por el usuario. Existen varias formas de sistemas de reloj

externo, el más común consiste de un cristal resonador en conexión con dos capacitores

conectados a los pines 13 y 14 del microcontrolador.

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Los tres modos principales de osciladores son LP, XT y HS, a continuación se muestran las

características de cada uno:

Características Generales del PIC-16F877A

CPU:

Tecnología RISC

35 Instrucciones de Desarrollo

Todas las operaciones se ejecutan en un solo ciclo de trabajo, exceptuando los saltos

que requieren dos

Frecuencia de operación de 0MHz a 20Mhz

Opciones de selección de operación

Memoria:

Hasta 8k x 14 bits de memoria flash de programa

Hasta 368 bytes de memoria RAM

Hasta 256 bytes de memoria EEPROM

Lectura/Escritura de la CPU a la memoria Flash

Protección programable de código

Reset e Interrupciones:

Hasta 14 fuentes de interrupción

Reset de Encendido (POR)

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Timer de Encendido (PWRT)

Timer de Arranque de Oscilador (OSC)

Sistema de vigilancia Watchdog

Otros:

Modo SLEEP de bajo consumo de energía

Programación y depuración en serie “In-Circuit” a través de dos pines

Rango de voltaje de operación de 2.2v a 5.5v

Bajo consumo de potencia

Periféricos del PIC 16F877A

CRITERIOS DE DISEÑO DE PCB

Para el desarrollo de placas de circuito impreso se debe recurrir y utilizar la base de la norma

IPC 2221, por lo que se recomienda remitirse a esta como fuente de consulta.

Sin embargo se presentan a continuación normas prácticas para el desarrollo de PCBs

La distancia entre pistas dentro de la placa debe estar en el rango de 7th a 10th

La distancia entre una pista y un agujero debe estar entre 7th y 10th.

La distancia entre pista y vía (Agujero pasante laminado para el traspaso de corriente

entre capas) debe ser de 7th.

Las perforaciones de pasantes o vías deben ser de 0.6mm o 24th.

Resistencias de un cuarto de vatio, medio vatio, capacitores pequeños, circuitos

integrados, diodos, transistores y demás elementos de este tipo deben tener un

tamaño de perforación de 0.9mm o 36th

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Conectores DB25, DB9, de cable plano, puntos de prueba y similares tienen un ancho

de perforación de 1.1mm 0 44th

Conectores de fuente tienen un ancho de pista de 1.3mm o 52th

Los agujeros de fijación (Agujeros con fines mecánicos de sujeción de placa) tienen un

diámetro de 3.2mm o 128th.

La relación diametral Path-Agujero general es de 1.5/1

3. PROCEDIMIENTO

Requerimientos:

Se debe diseñar una tarjeta PCB de doble capa controlada por un microcontrolador PIC

16F877A que contenga las siguientes funcionalidades:

Fuente Interna de 5VDC 1.5A con LED de estado y fusible

Fuente Interna de 12VDC 1A con LED de estado y fusible

Comunicación Serial RS-232 utilizando un circuito integrado MAX232 llevado a un

conector DB9 Macho de placa

Dos Entradas Analógicas que deben conectarse a una etapa de acondicionamiento de

señal proporcionado por un amplificador operacional. Además debe tener la opción de

conexión directa de las entradas analógicas al PIC a través de jumpers.

Cuatro entradas digitales

Cuatro salidas digitales

Dos salidas a relé, utilizando transistor en corte-saturación para manejar una corriente

de 10A en los respectivos contactos, cada relé debe tener habilitadas las salidas a

común, normalmente abierto y normalmente cerrado.

Teclado Hexadecimal con cable plano

LCD conectado con cable plano y control BCKlight con un pin del PIC. El contraste de la

pantalla deberá ser regulado por un divisor de voltaje implementado en la tarjeta.

Buzzer controlado por software a través del PIC

Pines Reservados:

RA0: Entrada Analógica 1

RA1: Entrada Analógica 2

RA4: Contador (Usar Timer 0)

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RB0: Interrupción Externa

RC6: Transmisión Serial TX

RC7: Recepción Serial RX

Básicamente el procedimiento que se llevará a cabo para la realización del proyecto se

muestra a continuación:

1. Desarrollo de los módulos que conforman el circuito general (Etapas de amplificación,

Sistemas de corte-saturación para relés, Sistema MAX232, etc.)

2. Calculo de corrientes y determinación de los anchos de pista respectivos que deberá

contener cada módulo y tipo de señal.

3. Desarrollo del circuito esquemático en ISIS donde se juntan los funcionamientos de cada

módulo alrededor de un PIC 16F877A como eje principal del proyecto.

4. Desarrollo del Layout de ARES para la elaboración del PCB de doble capa del circuito.

5. Elaboración de la placa de trabajo en placa de sustrato FR4 con Fire Retardant o laminado

de fibra de vidrio o Epóxy en lámina de cobre de 1oz/ft2 de 1.6mm de espesor.

6. Soldadura de los elementos respectivos en la placa de PCB

7. DESARROLLO DE LA APLICACIÓN ESPECIFICA DE LA PLACA

7.1. Diseño de la aplicación externa de control de temperatura con visualización HMI

7.2. Elaboración de una interfaz HMI en Labview.

7.3. Programación respectiva del PIC 16F877A de acuerdo a la aplicación.

4. CÁLCULOS DE CIRCUITOS

MÓDULO DE FUENTE DE VOLTAJE DE +5VDC Y +12VDC

La placa de PCB requiere de una fuente de voltaje continuo de 5 y 12 voltios positivos, para la

alimentación de los integrados y para cualquier otra función que se requiera, para no tener

que recurrir a fuentes de alimentación diferentes a la alimentación propia de la tarjeta.

El funcionamiento de la fuente de alimentación se explica basado en el diagrama esquemático

del modulo realizado en ISIS mostrado más adelante. El circuito está formado por varios

componentes muy importantes, el primero de ellos es el transformador el cual toma el voltaje

de corriente alterna de 110VAC a través de su bobina primaria y lo convierte a 2 tensiones de

12V en el secundario; lo que se expresa como 12-0-12 VAC. Esta salida es muy importante ya

que puede ser utilizado para obtener voltajes positivos y negativos.

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Los voltajes de corriente alterna del secundario se deben pasar a corriente directa o continua

por medio del proceso llamado rectificación. Para realizar esta labor se utiliza un puente

rectificador. En nuestro caso es de 3A máximo para evitar que se queme el componente.

Irectf max=3 A

Las salidas positiva y negativa del puente rectificador van a alimentar directamente los

reguladores de voltaje 7812 (+12V) y, 7805 (+5V).

El cable central del secundario del transformador se conecta a tierra de los reguladores de

voltaje que están más adelante con el fin de conformar tierra de corriente continua general

para el circuito. Hasta este punto, el voltaje que se ha obtenido a la salida del puente

rectificador no está regulado. Por lo tanto puede variar de acuerdo a las fluctuaciones de la

corriente alterna que alimenta el primario.

Para mejorar la calidad de la señal que se ha obtenido se utilizan dos condensadores de

2200uF, uno de ellos conectados entre el voltaje positivo que va a la entrada del regulador de

(+12V) y la tierra de corriente continua y el otro a la entrada del regulador de (+5V) y la misma

tierra.

El voltaje de entrada de estos reguladores debe ser de al menos 3V por encima de su

especificación de salida, por ejemplo para un regulador de 12V la tensión de entrada debe ser

igual o superior a 15V.

El trabajo de los reguladores de voltaje es mantener su salida a un nivel constante, a pesar de

las variaciones de voltaje de entrada.

En el circuito las salidas de los reguladores 7812 y 7805 van directamente a los conectores.

Debido al gran trabajo que realizan los reguladores de voltaje es necesario colocar en estos

integrados disipadores de calor, especialmente cuando la diferencia entre los voltajes de

entrada y salida es alta.

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A continuación se muestra los cálculos necesarios que especifican los principales parámetros

del módulo de la fuente de voltaje en función del capacitor seleccionado.

El cálculo del factor de rizado o ripple se realiza de forma aproximada, ya que es función de la

carga a la que está sometida la fuente de voltaje.

Se debe tomar ciertas consideraciones para realizar el cálculo:

Resistencia interna del transformador muy baja

Tiempo de carga del capacitor muy baja

Resistencia de carga constante

El capacitor se descarga linealmente sobre la resistencia de carga durante un

semiperiodo del ciclo de tensión de entrada.

La forma de onda del ripple se puede aproximar a una señal triangular.

Entonces la resistencia interna se considera baja y de valor:

R=50Ω

El voltaje de DC sobre carga esta dado por:

V DCL=4¿V m∗R∗C∗f4∗R∗C∗f +1

V m=√2∗V rms

V DCL=4¿V m∗R∗C∗f4∗R∗C∗f +1

V DCL=4∗√2∗12∗50∗0.0022∗60

4∗50∗0.0022∗60+1=16.35 v

El voltaje de rizado esta dado entonces por:

V r=V DCL

2∗R∗C∗f

V r=16.35

2∗50∗0.0022∗60=1.238v

Este valor corresponde a la amplitud del voltaje que se aproxima a una señal triangular.

El rizado estará dado por:

γ= 1

√3 (4∗f∗R∗C−1 )

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γ= 1

√3 (4∗60∗50∗0.0022−1 )=0.0227=2.27 %

Como se puede observar el factor de rizado es todavía menor que el 6% que se solicitó por lo

que resulta un buen diseño de capacitor.

El diseño esquemático del módulo de fuente se presenta a continuación, hay que notar que se

colocó un zener de 5v para regular más todavía la regulación a 5 voltios puesto que es mayor la

diferencia entre el voltaje de entrada y salida del regulador:

Hay que notar que se añadieron LEDS de estado para observar lumínicamente cuando están

funcionales las fuentes, estos están conectados en serie a las resistencias R5 y R6 de 330 ohms

para limitar el paso de corriente excesivo sobre el LED (representado por C17 y C18 ya que solo

se utilizan sus paths en la placa)

Además en la salida de la fuente se coloca dos diodos 1N4004 para evitar retornos de corriente

hacia la fuente y se limite únicamente a entregar voltaje.

MÓDULO DE SALIDAS A RELÉS:

Las salidas de los dos relés deberá ser controlados por un sistema de transistores NPN 2N3904

conectados en corte-saturación.

Características de la resistencia del Relé a utilizar:

Rcoil=Rc=102Ω

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En el proceso de saturación se tiene que

I c=V cc−V ceRC

V ce sat=0v

Entonces:

I c=V cc

RC= 5v

102Ω=49.01mA

Trabajando con un h fe=30 se tiene:

I c=h fe∗IB

IB=ICh fe

=49.01mA60

=1.634 A

Entonces la resistencia de base queda definida por:

Rc=V ccIB

= 5v1.634mA

=3.05K Ω

Este valor de resistencia se puede aproximar a un valor comercial de:

Rc=2.2K Ω

Y el circuito queda definido como sigue:

Módulo del circuito de salidas a Relés

Como se puede observar también es necesario colocar un diodo en paralelo a la bobina de

alimentación, es una protección necesaria para evitar corrientes de retorno que puedan dañar

la bobina o activarse cuando no se requiera.

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Tanto las entradas REL1 como V5 son de 5 voltios y REL 1 deberá conectarse al pin 34 (RB1) y

35 (RB2) del PIC 16F877A para su respectiva activación y desactivación.

MÓDULO DE ENTRADAS ANALÓGICAS POR MEDIO DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Como se requiere de dos entradas analógicas, muchas veces es necesario antes acondicionar la

señal por medio de un amplificador operacional.

Para realizar esta operación se utilizará el empaquetado del circuito integrado LM324 que

consta de cuatro amplificadores en un solo empaquetamiento, esto reducirá el tamaño de la

placa en el transcurso del trabajo.

Se realizará un acondicionamiento de señal por medio de un sistema de AO no inversor, la

forma convencional de este circuito es:

Donde la relación de voltajes está determinada por la ecuación:

V out=V ¿(1+R2

R1)

Pero muchas veces no se requiere acondicionar ni amplificar la entrada de la señal analógica,

por lo tanto se utiliza jumpers tanto en la entrada de V ¿ como en la salida de V out. Por lo tanto

se activará o desactivará el jumper de acuerdo a la necesidad.

A continuación se muestra el Módulo del AO No Inversor, se requiere dos circuitos, uno para

cada entrada analógica:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Opampnoninverting.png

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En el esquema mostrado las resistencias R1 y R2 se reemplazan por porta-resistencias para el

diseño del PCB, de esta manera es posible desmontar con facilidad las resistencias para

modificar la ganancia del circuito.

Para el ejemplo mostrado a continuación se requiere una ganancia de G=10

V outV ¿

=G=10

10=1+R2

R1

9=R2

R1

9 R1=R2

Entonces si se asume

R1=1K Ω

Se tiene:

R2=9K Ω

Que se puede aproximar a un valor comercial de R2=9.1K Ω

Cabe destacar que las salidas de este módulo de A.O, es decir V out, esté o no amplificado se

dirige a los siguientes pines del microcontrolador:

Pin 2: RA0/AN0

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Pin 3: RA1/AN1

Para mayor información se muestra a continuación la distribución de pines del LM324:

CONEXIÓN DE LOS PINES LIBRES DEL A.O DEL LM324

Los pines libres del LM324 se cortocircuitarán y se enviarán a tierra para reducir ruidos y evitar

que entren señales de interferencia al integrado

A continuación se muestra el esquema:

Además se colocó un capacitor de 10nF para reducir el ruido a la entrada del integrado.

OSCILADOR DEL MICROCONTROLADOR

Se requiere una frecuencia de trabajo de 1MHz en el microcontrolador.

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Como se sabe, un ciclo de trabajo del microcontrolador se compone de cuatro ciclos de

oscilación, por lo tanto el cristal oscilador externo al microcontrolador debe ser de 4MHz.

Además de 2 capacitores de 22pF ya que se trata de una conexión estándar para este tipo de

osciladores:

Como se puede observar las entradas del oscilador externo se deben dirigir a los pines 13 y 14

del microcontrolador para las salidas OSC1 y OSC2 del oscilador respectivamente.

MÓDULO DE CONEXIÓN DEL MAX232

Como se mencionó anteriormente la conexión serial de dispositivos externos, especialmente a

una computadora, debe realizarse a través de un dispositivo conversor de tecnologías. Como

sabemos los voltajes del computador son diferentes a los que manejan los dispositivos de la

placa PCB. Por esta razón es necesario colocar el MAX 232 para convertir las señales del

computador a voltajes TTL para el funcionamiento del PCB.

El circuito correspondiente al MAX232 se representa a continuación:

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Como se puede ver la salida del pin 25 (RC6/TX/CK) del microcontrolador se dirige al pin 11

(T1IN) del MAX232 que corresponde a la entrada de transmisión (datos que se requiere que

emigren al exterior)

El pin 26 (RC7/RX/DT) del microcontrolador está conectado al pin 12 (R1OUT) del MAX232

(este pin corresponde a los datos enviados por el dispositivo externo una vez que se han

traducido a tecnología compatible con el microcontrolador).

El pin 14 del MAX232 (T1OUT) se conecta al terminal apropiado de un conector DB9 y enviará

los datos del microcontrolador en voltajes y tecnología entendible por el computador

El pin 13 del MAX232 recibe la información del computador y la transmite a la circuitería

interna del circuito integrado donde se regulará y se enviará como salida a través del pin 12.

Los capacitores externos son necesarios para el correcto funcionamiento del circuito integrado

y sus valores se han considerado de acuerdo al datasheet del mismo

Como se puede ver el datasheet recomienda capacitores de 1uF para conexión externa del

circuito integrado

CIRCUITO DE RESET DEL MICROCONTROLADOR

Muchas veces cuando se presenta problemas con la programación que se está ejecutando en

el microcontrolador es necesario reiniciar el programa del mismo, esto permite reiniciar

variables, procesos y lazos de desarrollo. Esto se realiza enviando un pulso bajo o cero lógico al

pin 1 del microcontrolador o MCLR (Master Clear) o Reinicio maestro.

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Esto puede realizarse a través de un pulsador. Pero existe un problema, en el momento de

presionar el pulsador es inevitable que se produzca un pequeño arco eléctrico durante el breve

instante en que las placas en contacto se aproximan o alejan de sus puntos de conexión. Este

fenómeno se conoce como rebote.

Los experimentos empíricos indican que el periodo transitorio de un rebote depende entre

otros factores de la calidad de los switches y la rapidez de accionamiento, pero nunca durará

más de 20ms.

Por ello el pulsador del Reset debe ser anti rebote por lo que el circuito requerirá de un

capacitor que almacene los transitorios del rebote.

Los transitorios pueden ser interpretados como información por el PIC

Entonces un circuito adecuado para un pulsador de RESET anti rebote es el que se muestra a

continuación.

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Como se puede ver cuando el pulsador está abierto en la salida del reset se tiene un estado

alto, evitando que el PIC entre en reset. Pero cuando éste se pulsa hay conexión directa a

tierra por lo que el microcontrolador se reiniciará. El capacitor y el diodo contribuyen a

disminuir el rebote.

MÓDULO CIRCUITO BUZZER

El pin 23 (RC4/SDI/SDA) del microcontrolador debe controlar un circuito de buzzer que puede

ser configurado para emitir un sonido dependiendo de las necesidades de la aplicación y la

programación del micro. La salida del microcontrolador controlará un transistor en corte

saturación 2N3904 de la misma forma que en los Relés.

Características de la resistencia del buzzer a utilizar:

Rcoil=Rc=45Ω

En el proceso de saturación se tiene que

I c=V cc−V ceRC

V ce sat=0v

Entonces:

I c=V cc

RC= 5 v

45Ω=111.11mA

Trabajando con un h fe=30 se tiene:

I c=h fe∗IB

IB=ICh fe

=111.11mA60

=1.86 A

Entonces la resistencia de base queda definida por:

Rc=V ccIB

= 5v1.86mA

=2.6K Ω

Este valor de resistencia se puede aproximar a un valor comercial de:

Rc=2.2K Ω

Y el circuito queda definido como sigue:

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Módulo del circuito de salidas a Relés

CAPACITORES DE ACOPLE

Son simplemente un arreglo de tres capacitores de 10nF conectados en paralelo entre el

voltaje primario de alimentación y tierra. Esta conexión disminuye el ruido que ingresa en la

placa lo que permite mejorar considerablemente el rendimiento del mismo:

CONEXIÓN A TECLADO Y LCD

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TECLADO:

Los pines 37, 38, 39, 40 (RB4, RB5, RB6/PGC, RB7/PGD) del microcontrolador son utilizados

para el manejo del teclado matricial pero antes deben pasar por un decodificador de teclado,

este es un circuito especial o encoder a 16 llaves. Esto permitirá utilizar únicamente cuatro

pines en el microcontrolador para el manejo del teclado. Las salidas del encoder se dirigen a

un conjunto de espadines, donde se conectará el teclado.

PANTALLA LCD:

Los pines del puerto D (19 a 30) son utilizados para el control de la pantalla LED.

La principal consideración fuera de las respectivas conexiones de acuerdo a las necesidades del

LCD es que es necesario realizar un divisor de voltaje para controlar la luminosidad del

backlight.

5. CALCULOS DE CORRIENTES

CALCULO DEL ANCHO DE PISTAS EN EL RELÉ:

La corriente nominal que soporta los contactos del relé es de 10 amperios cuando trabaja a

110 voltios en corriente alterna.

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Si la temperatura de trabajo del circuito conmutado del relé es de:

T=30℃

Se puede obtener el área transversal de conductor en función de la corriente de 10A

Cs=160th2

Entonces es posible obtener el ancho de pista asumiendo un laminado de cobre de 1oz/ft2:

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Entonces al ancho de pista se determina en aprox 125th pero se puede aproximar a un valor

conocido de ARES

W rele=100th

Segmento del PCB correspondiente al RELE

CÁLCULO DEL ANCHO DE PISTAS EN LA RECTIFICACION DE LA FUENTE DE VOLTAJE

El principal parámetro sobre el que se procederá a diseñar esta sección en la corriente máxima

del diodo rectificador, basado en la misma temperatura de cálculo de los relés:

T=30℃

Inomrectf=3 A

Se obtiene el área transversal del conductor en función de la corriente y la temperatura:

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Cs=35th2

Entonces es posible obtener el ancho de pista asumiendo un laminado de cobre de 1oz/ft2:

Entonces al ancho de pista se determina en aprox. 35th pero se puede aproximar a un valor

conocido de ARES

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W rectf=40 th

Anchos de pista de 40th sobre las borneras J12 correspondiente al secundario del

transformador

CÁLCULO DEL ANCHO DE PISTAS DE ALIMENTACION Y SEÑAL:

Como se puede observar tanto la circuitería de señal como la de alimentación y tierra tienen

corrientes relativamente bajas de trabajo razón por la cual no es necesario un análisis crítico

de ancho de pistas.

Si el circuito trabaja a temperatura ambiente se tiene:

T o=30℃

Entonces en función de la corriente de trabajo y la temperatura se tiene la siguiente área de

sección de pista:

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Como se puede ver el área de sección está por debajo de 1 milésima de pulgada cuadrada (SQ

MIL) por lo que por efectos de cálculo se aproximará a 1SQ MILS

En función del área de sección y asumiendo una placa de 1 (oz/ft 2)*.0028’’ se tiene que el

ancho de pista en pulgadas es de 0.003in que equivale a 3th

Pero en el diseño de la placa por cuestiones de facilidad y especialmente evitar que una pista

demasiado angosta se fracture se optó por tomar anchos de pista estándar definidos por

default que son:

VCC y Tierra:

WVCC=20 th

Señal:

W rectf=12th

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6. CIRCUITO ESQUEMATICO

El circuito esquemático del PCB se muestra al final del documento a manera de ANEXO.

Cada módulo se muestra por separado dentro del circuito esquemático, y sus cálculos de

diseño se mostraron anteriormente. Otros módulos adicionales corresponden principalmente

a los terminales de conexión:

Borneras de Entradas Digitales

Borneras de Salidas Digitales

Borneras de Interrupciones

Bornera de Voltaje de Referencia

Borneras de salida de alimentación de 5 y 12 voltios.

Microcontrolador PIC 16F877A

DISTRIBUCION DE ELEMENTOS EN ARES:

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DISEÑO DE LAYOUT DE PCB FINAL OBTENIDO

VISTA 3D ESPERADA

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7. DESCRIPCION DE LA APLICACIÓN ESPECIFICA

Configuración del puerto Serial

La configuración del puerto serial en LabView la obtuvimos con un bloque controlador de los objetos VISA incluido en los paquetes de control del programa.Aquí, en este bloque, se puede acceder al puerto serial desde sus distintas formas de configuración, que para nuestra aplicación es una comunicación ASINCRONA.La configuración de este bloque controlador es el que se muestra en la grafica

Lectura y escritura del puerto serial

VISA Write Serial Port Este bloque, parte también del paquete de controladores del Labview nos permite enviar a través del puerto serial una variable tipo estring (cadena de caracteres) . Nuestra comunicación se baso en un carácter específico para una acción específica que el procesador interpretará y codificará.

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La lectura del puerto serial, al igual que la escritura, se la realizó con un bloque de control, Visa Read Serial Port. Este bloque recibe un valor binario átraves del puerto serial y lo codifica en código ASSCI en una cadena de caracteres, esta cadena para nuestro uso la transformamos en una variable numérica. Dicha variable es receptada en los indicadores numéricos Temperatura y Grafica Temperatura.

Control a través del HMI:

EL control de temperatura en labview la logramos de la forma más intuitiva, es decir, comparando la temperatura de set con la temperatura que está recibiendo en puerto serial. Así mediante bloques Booleanos (bloques de control binario de Verdadero o Falso) ubicamos la decisión correspondiente del controlador y la enviamos al microprocesador a través de Serial.

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Controlador de variables:

Esta es, sin duda alguna, la parte más álgida de la programación del HMI la configuración de la variable a enviar, esta variable tiene que ser de tipo STRING y debe tener un tiempo estimado de 50ms en operación. El puerto Serial, a través de Visa write Serial Port envía esta variable al microprocesador. Cabe destacar que la variable a enviar a través de Serial, depende estrictamente de la decisión Booleana en el control del HMI.

Cerrar en puerto serial: Antes de explicar este bloque, debemos destacar que el Puerto serial es una comunicación continua de bits uno a continuación de otros, lo que resulta en un trabajo para el procesador de la computadora que envié esta señal, así este bloque finaliza la comunicación para cualquier envió de datos a través del puerto serial. Si no se tuviese este bloque de control, se corre el riesgo de seguir enviando datos a

través del puerto aun después de acabar su uso, lo que podría provocar el mal uso del procesador de la computadora o en su defecto un daño en el mismo.

8. LISTA DE MATERIALES

ITEM CANTIDAD MATERIAL Fuente de Voltaje 5Vdc y 12Vdc

1 3 Bornera Imperial de 2 tomas2 1 Puente rectificador RS 405 (3A - 600V)

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3 1 Porta Fusibles4 1 Fusible de Filamento de 500mV a 1A5 2 Capacitor Electrolítico 2200uF a 50V6 1 Regulador de voltaje 78057 1 Regulador de voltaje 7812 8 2 Diodos LED9 1 Capacitor Cerámico 100nF a 25V

10 2 Resistencias de 1/4w 330ohms11 1 Diodo Zener 5V12 2 Diodos 1N4004

Entradas Analógicas13 1 Amplificador Operacional Dual Baja Alimentación LM32414 4 Jumper15 4 Porta Resistencias16 1 Bornera Imperial de 2 tomas17 2 Resistencias de 1/4w 1Kohms

Oscilador Externo18 1 Cristal resonador de 4Mhz19 2 Capacitor Cerámico 22pF20 Entradas Digitales21 1 Bornera Imperial de 4 tomas22 Entradas Digitales23 1 Bornera Imperial de 5 tomas24 Salidas a Relé25 2 Diodos 1N400426 2 Rele de 6Vdc con salida a 120V-10A27 2 Transistor NPN 390428 2 Resistencias de 1/4w 2.7Kohms29 2 Bornera Imperial de 3 tomas30 Conexión MAX23231 1 Circuito Integrado MAX23232 1 Conector HDB9 Hembra 33 4 Capacitor Electrolítico 1uF a 50V34 Interrupciones Externas35 1 Bornera Imperial de 2 tomas36 Voltaje de referencia37 1 Bornera Imperial de 2 tomas38 Capacitores de Acople39 1 Capacitor Cerámico 10nF40 Circuito del Buzzer41 1 Resistencias de 1/4w 2.7Kohms42 1 Transistor NPN 390443 1 Buzzer44 Circuito de Reset45 1 Diodos 1N400446 1 Pulsador

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47 1 Capacitor Cerámico 330pF48 1 Resistencias de 1/4w 1Kohms49 Conexión de Teclado y LCD50 1 Circuito Integrado MM74C92 (Encoder de Teclado)51 1 Potenciómetro de precisión 10Kohms52 2 Espadines de 40 líneas53 2 Capacitor Electrolítico 1uF a 50V54 Adicionales55 1 Microcontrolador PIC 16F877A56 1 LCD de 2 Líneas de alta frecuencia57 1 Teclado Matricial 4x458 1 LM3559 1 Bus de Datos de 40 líneas60 1 Cable Serial-USB

Nota: Todos los Circuitos Integrados con respectivo zócalo

9. CONCLUSIONES

Se ha desarrollado una placa PCB genérica, de múltiples funcionalidades, programable

por medio de microcontrolador PIC 16F877A que puede ser utilizada para varias

aplicaciones en función de la programación aplicada y los periféricos adicionales.

La placa de PCB está desarrollada y diseñada bajo la norma técnica IPC 2221 por lo que

se maneja dentro de los parámetros especificados por esta norma que es de utilización

internacional.

La placa de PCB ha sido utilizada para una aplicación específica de control y medición

de temperatura con interfaz Hombre-Máquina o HMI desarrollada en Labview.

Se ha aplicado técnicas de soldadura adecuadas para evitar los puntos defectuosos de

unión o la suelda fría.

La programación en LABVIEW es puramente intuitiva, los conectores y líneas de

comunicación poseen colores específicos dependiendo el tipo de dato que se esté

manipulando, es decir , para los datos booleanos el color de las líneas trasmisoras es

verde, para las variables STRING es rosado, para los datos numéricos flotantes es

naranja etc. Así, al momento de colocar un bloque de control este posee entradas y

salidas con diferentes colores, lo que dicta que tipo de entrada y qué tipo de salida

debe conectarse a través del mismo.

La comunicación hacia el Microprocesador se hace debido al dato String que se esté

enviando en el bloque Visa Write, pero este dato debe mantenerse por un tiempo

aproximado de 50ms y luego colocarse en vacio, es decir parar la escritura del puerto

serial. Esto tiene su fundamento en la comunicación del PIC microprocesador , dado

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que si se mantiene el dato STRING, Labview seguirá enviando este dato por serial,

pero el PIC al recibir un dato de forma serial salta a una interrupción y lee este dato,

así , labview enviará el dato sucesivamente y el pic saltará de la misma forma hacia la

interrupción dejando el resto de programación obsoleta. Si se estuviese activo el

Watch Dog provocaría un reset automático en el PIC debido al bucle infinito en que

entra el PIC al saltar sucesivamente a la interrupción.

La manipulación de datos ingresados por teclado hacia Pic se logró tanto con

interrupciones como control de bits. La tarjeta diseñada posee una entrada de 16 bits

para un teclado matricial 4x4 estos 16 bits se codifican a 4 bits y un bit de control,

denominado en el programa del pic como btcontrol , cuando se pulsa una tecla este

btcontrol se coloca en 1 luego de haberse realizado la codificación de 16 a 4 bits, así

haciendo uso de interrupciones y controlando este bit btcontrol, se puede leer el

teclado sin necesidad de hacer uso de otras formas de lectura como el barrido, que

resultan en pérdida de velocidad de programación.

En el set point de programación, existe un filtro de error, este filtro hace que sin

importar el ingreso de datos de temperatura máxima o mínima, siempre toma el dato

mayor y lo guarda el el set point de temperatura máxima y análogamente lo hace para

el dato menor ingresado. Así evitamos que la programación entre en conflictos lógicos.

10. RECOMENDACIONES

Es recomendable revisar la Norma IPC 2221 antes de diseñar el layout de la placa PCB

para realizarla bajo norma y estándares reconocidos.

Se recomienda revisar los Datasheets de cada componente, en especial de los

integrados para tener una noción exacta de los esquemas de conexión y la descripción

de pines.

Se recomienda realizar una buena soldadura, utilizando estaño en 60% de proporción y

un cautín de punta limpia y estañada.

En el proceso de ensamblaje se recomienda colocar los elementos de menor altura

primero, tales como resistencias, zócalos, etc. Y seguir soldando en progresión hasta

llegar a elementos altos tales como relés, capacitores grandes y otros.

Se recomienda realizar, en lo posible, funciones dentro del código de programación

para evitar el uso excesivo de memoria y la pérdida de velocidad de programación.

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Para el uso del puerto serial recomendamos realizar pequeños programas, como

transmisión de un bit o de varios bits para familiarizarse en la forma de comunicación

del pic con la computadora.

Para trabajar con el puerto serial es recomendable tener varios puntos de control, es

decir trabajar con varias etapas. En nuestra aplicación trabajamos con un

hyperterminal, un circuito análogo en protoboard, la tarjeta y el programa de labview.

Así para el envio y recepción de datos lo realizamos comunicación en distintas

combinación. Asi dictábamos un jucio de valor acerca de donde presuntamente se

encuentra la falla en el diseño.

11. ANEXOS

Se muestran al final del documento:

Circuito Esquemático de la PLACA PCB desarrollado en ISIS

Datasheet Transistor NPN 2N3904

Datasheet Amplificador Dual de baja alimentación LM324

Datasheet Regulador de voltaje 78XX

Datasheet Driver/Receptor MAX232

Datasheet 16 Key Encoder MM74C92

12. BIBLIOGRAFIA

“Puerto Serie”: Wikipedia, la Enciclopedia Libre

“RS-232”: Wikipedia, la Enciclopedia Libre

“MAX232”: Wikipedia, la Enciclopedia Libre

“Amplificador Operacional”: Wikipedia, la Enciclopedia Libre

Introducción a los Microcontroladores: UMSNH-FIE

Datasheet: Transistor NPN 2N3904

Datasheet: Amplificador Operacional Dual de baja alimentación LM324

Datasheet: Regulador de voltaje 78XX (donde XX puede ser 05 o 12)

Datasheet: Driver/Receptor MAX232

Datasheet: 16 Key Encoder MM74C92

Documents

informe diseño final.docx