HISTORIA DE LOS MICROCONTROLADORES

Inicialmente cuando no existían los microprocesadores las personas se ingeniaban en diseñar sus circuitos electrónicos y los resultados estaban expresados en diseños que implicaban muchos componentes electrónicos y cálculos matemáticos. Un circuito lógico básico requería de muchos elementos como transistores, resistencias.Al principio se creía que el manejo de un microprocesador era para aquellas personas con un coeficiente intelectual muy alto; Por lo contrario con la aparición de este circuito integrado todo sería mucho más fácil de entender y los diseños electrónicos serían mucho más pequeños y simplificados.Los microcontroladores están conquistando el mundo, pero la invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que se fabrican hoy en días. Cada vez existen más productos que incorporan un Microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y costo, mejorar su fiabilidad.El funcionamiento y aplicaciones de los microcontroladores y los microprocesadores permite profundizar en los aspectos tecnológicos de las arquitecturas de las nuevas computadoras, convirtiéndose de esta forma en una herramienta útil para el desarrollo de variadas aplicaciones que contribuyen al avance tecnológico y desarrollo integral de la sociedad. Estas aplicaciones que han surgido con propósitos, para solucionar las diversas necesidades existentes, que frustraban la realización de actividades ejecutadas por personas en los diferente escenarios industriales, empresariales entre otros.

Las circunstancias con las que nos encontramos hoy en el campo de los microcontroladores tienen sus raíces en el desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados. Este desarrollo ha hecho posible contener cientos de miles de transistores en un solo chip. Ése era uno de los requisitos previos para la producción de los microprocesadores, y las primeras computadoras eran hechas agregando periféricos externos como la memoria, timers etc. lo que aumentaba el volumen de los circuitos integrados. Estos circuitos integrados contenían procesador y periféricos. Así es cómo se desarrolló el primer chip que contenía una microcomputadora, o lo que después se llegaría a conocer como un microcontrolador.

Para desencadenar la temática propuesta acerca de las similitudes, diferencias, de los microprocesadores y microcontroladores, es necesario que el lector tenga un poco de conocimiento sobre el tema.

El µC es un computador completo, aunque de limitadas prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado programable y se destina a gobernar una sola tarea con el programa que reside en su memoria. Sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar.

 ORIGENES Y EVOLUCION DEL MICROCONTROLADOR EN LAS COMPUTADORAS

En el año 1969, un equipo de ingenieros japoneses de la compañía BUSICOM llegó a Estados Unidos con una idea, ellos deseaban usar para sus proyectos pocos circuitos integrados de los que se usaban en las calculadoras. La proposición se hizo a INTEL, y Marcian Hoff era el responsable del proyecto. Ya que él era quien tenía experiencia trabajando con una computadora (PC) PDP8, se le ocurrió pensar en una solución fundamentalmente diferente en lugar de la construcción sugerida. Esta solución presumía que la función del circuito integrado se determinaría por un programa almacenado en él. Eso significaba que la configuración sería más simple, pero que requeriría mucho más memoria de lo que requería el proyecto que propusieron los ingenieros japoneses.

Después de un tiempo, aunque los ingenieros japoneses probaron soluciones más fáciles, la idea de Marcian ganó, y el primer microprocesador nació. Para transformar esta idea en un producto ya fabricado, Federico Faggin, se unió a INTEL, y en sólo 9 meses tuvo éxito. INTEL obtuvo los derechos para vender este "bloque integrado" en 1971. Primero, compraron la licencia de la compañía BUSICOM, que no tenía idea del tesoro que poseían. Durante ese año, apareció en el mercado un microprocesador que se llamó 4004, este fue el primer microprocesador de 4 bits con velocidad de 6 000 operaciones por segundo. No mucho tiempo después de eso, la compañía americana CTC pidió a INTEL y Texas Instruments que hiciera un microprocesador de 8 bits. Aunque después a CTC no le interesó más la idea, Intel y Texas Instruments siguieron trabajando en el microprocesador y el primero de abril de 1972, el microprocesador de 8bits.Aparece en el mercado con el nombre de 8008. Podía direccionar 16 Kb de memoria, con un set de 45 instrucciones y una velocidad de 300 000 operaciones por segundo. Este microprocesador es el predecesor de todos los microprocesadores de hoy. Intel mantuvo sus desarrollos y saco al mercado el procesador de 8 bits bajo el nombre 8080, el cual podía direccionar 64Kb de memoria, con 75 instrucciones, a un precio de 360 dlls.En otra compañía americana, Motorola, comprendieron rápidamente lo que estaba sucediendo, así que ellos sacaron al mercado su microprocesador de 8 bits, el 6800.

Su constructor principal era Chuck Peddle, y junto con el procesador, Motorola fue la primera compañía en hacer otros periféricos como el 6820 y el 6850. En ese momento muchas compañías reconocieron importancia de los microprocesadores y empezaron sus propios desarrollos. Chuck Peddleabandonó Motorola para unirse a la Tecnología MOS y se mantuvo trabajando intensamente en el desarrollo de los microprocesadores.Un evento muy importante tuvo lugar en la historia de microprocesadores en una exhibición de WESCON en 1795 en Estados Unidos. La Tecnología MOS anunció que estaba comercializando los microprocesadores 6501 y 6502 a 25 dlls. cada uno, y que los compradores podrían adquirirlos inmediatamente.

Esto era tan extraordinario, que algunas personas creyeron que era un escándalo, considerando que los competidores estaban vendiendo el 8080 y el 6800 a 179dlls. cada uno. Intel y Motorola bajaron sus precios en el primer día de la exhibición como una respuesta a su competidor, 69.95 por microprocesador. Motorola reclama a la Tecnología de MOS y a Chuck Peddle el haberles copiado su 6800. La Tecnología MOS suspende la fabricación del 6501, pero siguen produciendo el 6502. Los 6502 eran microprocesadores de 8 bits, 56instrucciones y la capacidad de direccionar 64Kb de memoria directamente. Para reducir el costo, el 6502 se vuelve muy popular, así que se instala en las computadoras tales como: KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric, Galeb, Orao, Ultra, y muchas otras. Y muy pronto aparecieron varios fabricantes del 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh, y Comodore quienes toman la Tecnología MOS) el cual estaba en su momento de apogeo y se vendía a una velocidad de 15 millones de procesadores por año. Otros, sin embargo, no se rindieron. Federico Faggin deja Intel, y empieza su propio Zilog Inc.En 1976, Zilog anuncia el Z80. Durante la fabricación de este microprocesador, Faggin toma una decisión giratoria. Sabiendo que ya se han desarrollado muchos programas para 8080, Faggin sabía que muchos se quedarían fieles a ese microprocesador. Así que decide diseñar un nuevoprocesador que pueda ser compatible con 8080, o que sea capaz de desarrollar todos los programas que ya se habían escrito para el 8080. Además de estas características, se agregaron muchas otras para que el Z80 fuera un microprocesador muy poderoso. Podía direccionar 64 Kb de memoria, tenía 176 instrucciones, un gran número de registros, una opción para refresco dememoria dinámica de la RAM, mayor velocidad de trabajo etc. El Z80 fue un gran éxito y todos cambiaron del 8080 al Z80. Puede decirse que el Z80 fue el microprocesador comercializado más exitoso de ese tiempo. Además de Zilog, también aparecieron otros nuevos fabricantes como Mostek, NEC, SHARP, y SGS. Z80 estaba en el corazón de muchas computadoras como en Spectrum, Partner, TRS703, Z-3 etc.

En 1976, Intel propone una versión mejorada del microprocesador de 8 bits, al cual nombró 8085. Sin embargo, el Z80 era tan bueno que Intel perdió la batalla. Aunque más procesadores aparecían en el mercado (6809, 2650, SC/MP etc.), ya todo estaba decidido. Ya no había grandes mejoras de parte de los fabricantes para hacer algo nuevo, así que el 6502 y el Z80 junto con el6800 permanecieron como los representantes principales de los microprocesadores de 8 bits de ese tiempo.Aunque en toda esta historia, se mencionan erróneamente microprocesadores, la realidad, es que las primeras PCs, emplearon microcotroladores, los cuales, como ya vimos, cuentan con un procesador y memoria. Posteriormente, se dio el paso a los microprocesadores, que no cuentan con la memoria, en el mismo circuito integrado, y los microcontroladores, tienen su aplicación en aparatos electrodomésticos automóviles, en la industria, entre otros.

En 1980 aproximadamente, los fabricantes de circuitos integrados iniciaron la difusión de un nuevo circuito para control, medición e instrumentación al que llamaron microcomputador en un sólo chip o de manera más exacta MICROCONTROLADOR.Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene toda la estructura (arquitectura) de un microcomputador, o sea CPU, RAM, ROM y circuitos de entrada y salida. Los resultados de tipo práctico, que pueden lograrse a partir de éstos elementos, son sorprendentes.

¿Dónde tenemos microprocesadores y microcontroladores?30% computación, 30% hogar, 15% comunicaciones, 15% industria, 10% automóvil

“SISTEMAS EMPOTRADOS” (Embedded systems):

Sistemas que incorporan microcontroladores (o microprocesadores) para una tarea específica pero que no son “visibles” ni “programables” directamente por el usuario. “Empotrado” también quiere decir oculto o escondido. Cuando se usa un PC, uno es consciente de que dentro está un microprocesador. ¿Y cuándo usamos un teléfono móvil, un reloj, una calculadora, una lavadora, un cargador de baterías, un mando a distancia, un secador de pelo, un lavaplatos, un equipo de música,...?

Los microcontroladores de 8 bits dominan en la mayoría de las aplicaciones el microcontrolador es el núcleo del sistema electrónico versátil de bajo coste y reducido tamaño que es capaz de detectar las señales de entrada y generar las salidas de un equipo, sistema o instrumento. Por su reducido tamaño y coste permiten la fácil implantación de sistemas de “inteligencia” distribuida a lo largo de sistemas más complejos. Los microcontroladores son los semiconductores más abundantes de todos en la actualidad.Versiones de Memoria de Programa:OTP, EPROM, EEPROM y FLASH

Los microcontroladores son la evolución natural de la tecnología de la microelectrónica de los microprocesadores. Un microprocesador se basa en una CPU donde el bus de datos, el bus de direcciones y el bus de control salen al exterior, en ellos se conectan los periféricos necesarios para realizar un sistema.Un microcontrolador integra una cantidad de periféricos, así como el bus y permite tener un dispositivo para cada solución.

Aunque, siguen existiendo microcontroladores con bus externo, normalmente son de 16 o 32 bits y se utilizan en sistemas donde a parte de los periféricos necesarios se necesita una gran cantidad de memoria de programa, memoria de datos o entradas/salidas.

INFLUENCIA DE LOS MICROCONTROLADORES EN LA VIDA DIARIA

El microcontrolador es uno de los logros más sobresalientes del siglo XX. Hoy existen

casi 15,000 millones de microchips de alguna clase en uso. Para la mitad del siglo

próximo, es posible que el microcontrolador típico tenga mayor poder de cómputo que

las supercomputadoras más veloces de hoy.

Nuestros antepasados no podían ni imaginarse el cambio que se iba a producir en sus

vidas este pequeño chip de silicio.

Algunos microcontroladores más especializados poseen además convertidores

análogos digital, temporizadores, contadores y un sistema para permitir la

comunicación en serie y en paralelo.

Se pueden crear muchas aplicaciones con los microcontroladores. Estas aplicaciones

de los microcontroladores son ilimitadas (el límite es la imaginación) entre ellas

podemos mencionar: sistemas de alarmas, juego de luces, paneles publicitarios, etc.

Controles automáticos para la Industria en general. Entre ellos control de motores

DC/AC y motores de paso a paso, control de máquinas, control de temperatura, control

de tiempo, adquisición de datos mediante sensores, etc.

Un controlador es un dispositivo electrónico encargado de, valga la redundancia,

controlar uno o más procesos. Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado,

recogerá la información de los sensores de temperatura, la procesará y actuará en

consecuencia.

Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes

discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de

E/S,… sobre una placa de circuito impreso (PCB). Actualmente, los controladores

integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño chip. Esto es lo que

hoy conocemos con el nombre de microcontrolador.

Fig. 15 Pines y Encapsulado del DS1307 Fuente: Hoja de datos del DS1307

2.8.1. Características del DS1307 Reloj en tiempo real (RTC) Cuenta segundos, Minutos, horas, mes, días de la semana, y año (Incluido año bisiesto) con validez hasta el 2100.

56-Byte, con batería de respaldo, RAM de uso general para almacenamiento de datos.

Interfaz Serial I2C.

Señal de salida de Onda-Cuadrada programable.

Detector Automático de Fallo de Energía y Circuito de Conmutación.

Consume menos de 500nA en modo de batería de respaldo con el oscilador en funcionamiento.

Rango de temperatura Industrial Opcional: -40 ° C a +85 ° C.

Disponible en empaquetado de 8-Pines DIP o SO.

2.8.2. Descripción de pines PIN 1 (X1) y PIN 2 (X2): Cristal de Cuarzo Estándar de 32.768KHz. La circuitería del oscilador interno está diseñada para operaciones con una capacitancia de carga (CL) de 12.5pF. X1 es la entrada del oscilador y puede conectarse opcionalmente con un oscilador externo de 32.768kHz. La salida del oscilador interno, X2, es flotante si un oscilador externo se conecta a X1.

PIN 3 (VBAT): La entrada para el suministro de respaldo es de 3V con una celda de Litio Estándar u otra fuente de energía. La batería debe mantener un límite máximo y mínimo apropiado para su operación. Si la fuente de suministro no es requerida, VBAT debe ponerse a tierra.

Pin 4 (GND): Tierra

Pin 5 (SDA): Entrada/Salida serial de datos. SDA es la entrada/salida de datos para la interfaz serial I2C. El pin SDA se conecta como sumidero y necesita una resistencia de pull up externa. El voltaje de pull up máximo puede ser de 5.5V sin tener en cuenta el voltaje VCC.

Pin 6 (SCL): Entrada serial de reloj. SCL es la entrada de reloj para la interfaz I2C y se usa para sincronizar la transferencia de datos en la interfaz serial. El voltaje de pull up máximo puede ser de 5.5V y no depende de VCC.

Pin 7 (SQW/OUT): Maneja la señal de salida de onda cuadrada. Cuando está habilitada, se pone el bit SQWE en 1, y la salida SQW/OUT tiene una de las 4 frecuencias de onda cuadrada 1Hz, 4kHz, 8kHz, 32kHz. El pin SQW/OUT se conecta como sumidero y necesita una resistencia de pull up externa.

SQW/OUT opera con un voltaje VCC o VBAT. El voltaje de pull up máximo puede ser de 5.5V y no depende de VCC. Si no se usa, este pin puede dejarse como salida flotante.

Pin 8 (VCC): fuente de poder primario. Cuando el voltaje es aplicado dentro de los límites normales, el dispositivo es totalmente accesible y pueden escribirse y leerse los datos. Cuando un suministro auxiliar se conecta al dispositivo y VCC está por debajo de VTP, la lectura y escritura se inhibe. Sin embargo, la función de almacenamiento de tiempo continúa sin ser afectado por el bajo voltaje de la entrada.

El  semiconductor  Maxim/Dallas  DS1307  es  un  reloj  de  tiempo  real  exacto,  el  cual 

automáticamente,  mantiene  el tiempo  y  la  fecha  actual,  incluyendo  compensación  para meses  con menos  de  31  días  y saltos  de  año.  La  dirección  y  los  datos son transferidos serialmente por 2‐ hilos, en bus bi‐direccional.  También el reloj opera en formato de 24  horas o en formato de 12 horas AM/PM.

Según se ve en la figura anterior el DS1307 es un dispositivo de 8 pines al que se le conecta:  un cristal de cuarzo estándar, de bajo costo, a  32.76 KHz entre los pines 1 y 2 para proveer tiempo base exacto.

Opcionalmente se  le  puede  conectar  al  pin3,  baterías  de  respaldo  de  3  voltios, asegurando  que se mantendrá  el tiempo  a  la fecha  aunque  este  desconectada  la fuente  de  tensión  del  circuito  principal.  El  circuito  integrado  automáticamente detecta  que se  ha removido  la  energía  en  el  circuito  principal  y se  conectan  las baterías de respaldo cuando es requerido. La batería de respaldo puede durar hasta 10 años y se coloca en la misma base de circuito impreso.  • El pin 4 estará conectado a tierra y el pin 5 a positivo a una fuente de 5 voltios, el voltaje mínimo al que trabaja es  4.5 V y el máximo 5.5 V. • Adicionalmente el circuito integrado DS1307 tiene dos características interesantes. El pin 7 es una salida de colector abierto, que puede ser programada para hacer ‘’flash’’ cada  1 Hz.  Esto  permite  la  colocación  de  un  led  como  indicador  de segundos  en aplicaciones de reloj. El circuito integrado también tiene 56  bytes de memoria RAM para propósito general, el cual puede ser usado como memoria extra por el Master PIC. • El  pin  6  (SCL)    y  el  pin  5  (SDA)    van  conectados  al  PIC  donde se  transferirá  la información de manera serial, el microcontrolador también tendrá    identificadas las patas con SCL y SDA, en el caso de PIC18f4550 corresponden  a los pines 33 y   34.  En  este  proyecto  estos  pines  no  fueron  usados  para  el reloj  de tiempo real  ya  que se  utilizaron para la micro SD, en su defecto se usaron los pines 39 (como SDA) y 40 (como SCL) configurado a través de software. El código que se encarga de configurar los pines 39 y 40 en SDA y SCL respectivamente es: 

1. #use I2C(MASTER, SDA=PIN_B6, SCL=PIN_B7,FORCE_SW)

En la hoja de especificaciones del fabricante del DS1307, se encontraron los siguientes detalles:  Slave address‐ 1101000xaddress size – byte bus speed – 100kHz

Esto significa que el comando i2c slave a programar en el PIC es el siguiente:  I2cslave %11010000,  i2cslow, i2cbyte  Todos  los datos de tiempo/fecha están en formato BCD, lo cual hace muy fácil su lectura y escritura  usando  notación  hexadecimal.  Por  ejemplo  11:35  a.m.  va  a  contener  11  en  el registro de horas y 35 en el registro de minutos. Debe tomarse en cuenta que el chip no va a operar hasta que sea puesto el tiempo y fecha actual.  Al    usar  el  DS  1307  es  muy  preciso  y  ayuda  en  gran  cantidad  de  aplicaciones. Simplemente se necesita el integrado y el cristal y listo.  1.7.2. Circuito de conexión entre el reloj de tiempo real DS1307 con el microcontrolador PIC18F4550.

Como puede observarse en la figura anterior los pines 5 (SDA) y 6 (SCL) del reloj vanconectadas a los pines 39 y 40 del PIC configurados por software como SDA y SCLrespectivamente a través de los cuales controla la hora y tiempo actual; entre estos dos pines se conecta dos resistencias de 10K ohm (pull up).‐Además se conecta un cristal de cuarzo de 32.768 MHz entre los pines 1 (X1) y 2 (X2) para manejar las oscilaciones del reloj.

Lcd 16x2 En esta entrada vamos a explicar el funcionamiento y conexionado de un LCD con una resolución de 16x2.

¿Que es un LCD?

El LCD(Liquid Crystal Dysplay) o pantalla de cristal líquido es un dispositivo empleado para la visualización de contenidos o información de una forma gráfica, mediante caracteres, símbolos o pequeños dibujos dependiendo del modelo. Está gobernado por un microcontrolador el cual dirige todo su funcionamiento.En este caso vamos a emplear un LCD de 16x2, esto quiere decir que dispone de 2 filas de 16 caracteres cada una. Los píxeles de cada símbolo o carácter, varían en función de cada modelo.

¿Como es su conexionado?

En la siguiente imagen de Proteus se puede observar la estructura de sus pines.

Lo podemos dividir en los Pines de alimentación, pines de control y los pines del bus de datos bidireccional. Por lo general podemos encontrar ademas en su estructura los pines de Anodo de led backlight y cátodo de led backlight.

Pines de alimentación:

Vss: GndVdd: +5 voltiosVee: corresponde al pin de contraste, lo regularemos con un potenciómetro de 10K conectado a Vdd.

Pines de control:

RS: Corresponde al pin de selección de registro de control de datos (0) o registro de datos(1). Es decir el pin RS funciona paralelamente a los pines del bus de datos. Cuando RS es 0 el dato presente en el bus pertenece a un registro de control/instrucción. y cuando RS es 1 el dato presente en el bus de datos pertenece a un registro de datos o un carácter.RW: Corresponde al pin de Escritura(0) o de Lectura(1). Nos permite escribir un dato en la pantalla o leer un dato desde la pantalla.E: Corresponde al pin Enable o de habilitación. Si E(0) esto quiere decir que el LCD no esta activado para recibir datos, pero si E(1) se encuentra activo y podemos escribir o leer desde el LCD.

Pines de Bus de datos:El Bus de datos bidireccional comprende desde los pines D0 a D7. Para realizar la comunicación con el LCD podemos hacerlo utilizando los 8 bits del bus de datos(D0 a D7) o empleando los 4 bits mas significativos del bus de datos(D4 a D7). En este caso vamos a explicar la comunicación con el bus de 4 bits.

¿DDRAM y CGROM?

Son las dos zonas de memoria del LCD.La memoria DDRAM(Data Display Ram): corresponde a una zona de memoria donde se almacenan los caracteres que se van a representar en pantalla. Es decir es la memoria donde se almacenan los caracteres a mostrar con su correspondiente posición.

La memoria CGROM es una memoria interna donde se almacena una tabla con los caracteres que podemos visualizar en el lcd. En la imagen podemos ver un ejemplo de la tabla con un contenido de 192 caracteres.

La memoria CGRAM(Character Generator Ram): en ella se pueden almacenar nuestros propios caracteres.

La librería del LCD:

Para poder visualizar los caracteres o símbolos en el LCD es necesario que en el programa de código fuente a emplear, incluyamos la librería de este. En este caso empleamos la librería "lcd.c", la cual hemos modificado. Siempre que utilicemos una librería de este tipo tendremos que analizarla para saber cuales son los pines de control y los pines para el Bus de datos, en este caso podemos observar que están definidos al comienzo de la misma.

#define LCD_ENABLE_PIN PIN_D0#define LCD_RS_PIN PIN_D1#define LCD_RW_PIN PIN_D2#define LCD_DATA4 PIN_D4 #define LCD_DATA5 PIN_D5 #define LCD_DATA6 PIN_D6 #define LCD_DATA7 PIN_D7

En el resto de la librería se puede encontrar todas las estructuras necesarias así como las funciones que nos permiten utilizar nuestro LCD.Podemos encontrar funciones como :

lcd_init: inicializa el lcd.lcd_gotoxy: establece la posicion de escritura en el lcd.lcd_putc: nos muestra un dato en la siguiente posición del lcd, podemos emplear funciones como \f para limpiar el display, \n cambio a la segunda línea, \b mueve una posición atrás.

lcd_getc(x,y): devuelve caracteres a la posición x,y.Otras funciones: lcd_send_nibble(BYTE n), lcd_send_byte(BYTE address, BYTE n).

Aquí se puede ver un ejemplo de una sencilla programación en una Pic control, y muestra de datos en el LCD, son datos inespecíficos que no muestran ninguna información.