DISEÑO DE UNA TARJETA ELECTRÓNICA PARA LA VERIFICACION LA PROGRAMACIÓN DE PICS DE 40 PINES EN EL LABORATORIO DE
MICROCONTROLADORES DEL INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN MARACAY, EDO.
ARAGUA.
Autor: Tutor:
Asesora Metodológica:
Maracay, Junio 2.013
APROBACIÓN DEL TUTOR
INTRODUCCION
La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada
relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos
electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la
generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre
otros. Es una parte muy importante de la sociedad actual y nuestra sociedad
ha cambiado definitivamente desde que el uso de la electrónica llegó a ser
tan predominante. El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos
para resolver problemas prácticos forman parte de la electrónica y de los
campos de la ingeniería electrónica.
Su uso es tal que el campo de aplicación va desde tareas cotidianas
en el hogar, cocinar, lavar, hasta rígidos sistemas de seguridad, sensores
capta huellas, códigos de seguridad, biométrica, domótica, electromedicina
entre muchos otros, para realizar algunos de estos dispositivos muchas
veces es necesario contar con algún tipo de microcontrolador por lo que se
debe tener conocimiento y estar familiarizado con estos. El siguiente
proyecto plantea una herramienta encargada para trabajar con
microcontroladores y su programación partiendo de lo más básico,
permitiendo así la posibilidad de incursionar en el mundo de la programación
de pics y sus muchas aplicaciones.
Además también es conveniente acotar, que el presente proyecto se
desarrollo en tres (3) capítulos, de la siguiente manera:
En el capítulo I que plantea el problema partiendo de lo general a lo
específico. Esto conlleva a observar los aspectos importantes de sus
objetivos, y justifica la investigación y orienta su desarrollo
Le sigue el capítulo II donde se presenta la metodología utilizada, en el que
se especifica la modalidad y los procedimientos de la misma que permiten al
diseñador alcanzar los objetivos planteados, para así dar con la posible
solución de la problemática
Finalmente se presenta el capítulo III que Comprende el análisis e
interpretación de los Resultados donde se ejecutaron las fases de la
investigación, abordando la investigación necesaria para llevar a cabo la
propuesta
CAPITULO I
EL PROBLEMA
Contextualización del Problema
Actualmente y gracias a los avances de la tecnología el ser humano
es capaz de crear dispositivos y/o equipos diseñados para facilitar las tareas
diarias de las personas, esto claro esta gracias a investigaciones previas y
arduos estudios realizados con anterioridad. Es un hecho que para obtener
un buen aprendizaje se debe disponer de los instrumentos y herramientas
necesarias y adecuadas en función de las actividades que se quieren
aprender. Por definición se puede decir que el aprendizaje es el proceso a
través del cual se adquieren o modifican habilidades, destrezas, y
conocimientos como resultado del estudio, y la experiencia, además de la
organización del tiempo y los hábitos de estudio, un punto clave para un
buen aprendizaje son las herramientas o instrumentos vinculados a la tarea
que se desea aprender.
Ahora bien y en relación a lo anterior el portal virtual wikipedia
[http://es.wikipedia.org/wiki/Instrumento_cient] [2005] define: “Un instrumento
científico es un aparato o dispositivo que está específicamente diseñado,
construido y a menudo refinado a través del método de ensayo y error para
ayudar a la ciencia. No obstante el Instituto Universitario Politécnico
“Santiago Mariño” sede Maracay carece de algunas herramientas ó
instrumentos que sirven de apoyo y facilitan las actividades académicas de
los estudiantes de Ingeniería Electrónica, específicamente los que cursan
materias relacionas con el Laboratorio de Microcontroladores esto quizás
debido al alto costo de los mismos o a la difícil accesibilidad de los mismos.
Esto trae como consecuencia debilidades en cuanto al desarrollo de
las practicas y el aprendizaje que se pueda obtener gracias a estas. Por otra
parte y dejando claro que para un óptimo aprendizaje es necesario contar
con las herramientas e instrumentos adecuados y con la finalidad de mejorar
la calidad del aprendizaje es importante brindar y abastecer de herramientas
y/o equipos a los laboratorios de la instuticion para de esta forma fortalecer y
evitar el empobrecimiento de las deztresas técnicas que puedan adquirir los
estudiantes de Ingeniería Electrónica del Instituto Universitario Politécnico
“Santiago Mariño” extensión Maracay, el presente proyecto busca ayudar o
posiblemente dar solución a la situación actual por lo que se plantearon las
siguientes interrogantes
¿Cuál es la situación actual en cuanto a los equipos y herramientas para las
practicas con pics en el laboratorio de Microcontroladores del Instituto
Universitario Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay?
¿Cuales pudieran ser las variables adecuadas para iniciar prácticas con
pics?
¿Cuáles son los dispositivos ideales para el diseño de una tarjeta electrónica
para la verificación de la programación de los pics?
¿Es necesario una tarjeta electrónica para el aprendizaje de programación
de pics en el laboratorio de Microcontroladores en el Instituto Universitario
Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay?
Objetivos de la investigación
Objetivo General
Diseñar de una tarjeta electrónica para la verificación la programación
de pics de 40 pines en el laboratorio de Microcontroladores del Instituto
Universitario Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay, Edo. Aragua
Objetivos Específicos
Diagnosticar la situación actual en cuanto las herramientas y
dispositivos disponibles para las practicas con pics en el laboratorio de
Microcontroladores del Instituto universitario Politécnico “Santiago Mariño”
extensión Maracay
Determinar las características de las variables más comunes
trabajadas en la carrera de Ingeniería Electrónica, en el Instituto Universitario
Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay, Edo. Aragua.
Seleccionar los dispositivos electrónicos para el diseño de la tarjeta
electrónica verificadora de la programación de los pic de 40 pines
Desarrollar una tarjeta electrónica que verifique la programación de los
pics de 40 pines
Justificación de la Investigación
El presente proyecto fue realizado como requisito indispensable para
optar por el título de Ingeniería Electrónica en el Instituto Universitario
Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay, en el cual el alumno pudo
poner en práctica los conocimientos adquiridos durante la carrera cursada.
Ahora bien es un hecho la importancia de contar con los equipos adecuados
para el aprendizaje de cualquier oficio, la familiarización con las distintas
herramientas y/o instrumentos ayuda y facilitan a las personas a adquirir las
destrezas que en un futuro puedan ser indispensables para sus actividades
laborales, la presente investigación busca satisfacer una necesidad en
cuanto a las debilidades presente en el laboratorio de microcontroladores de
Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay,
donde hacen falta herramientas o equipos electrónicos que ayuden a
fortalecer el aprendizaje en relación a la programación de
microcontroladores.
La tarjeta electrónica propuesta sirve como guía en el inicio de la
programación de microcontroladores, más conocidos como “pic”, además
también por ser una tarjeta electrónica diseñada para pruebas le permitirá
ahorrar a los estudiantes el tiempo que toma el montar o acoplar todos los
dispositivos que interactúan con algunas de las variables que se consideran
básicas de acuerdo a los proyectos o montajes realizados en la institución,
sin embargo y a pesar de que la tarjeta esta ensamblada con los dispositivos
(Pantalla LCD, Teclado Matricial, entre otros) se mostrara el diagrama
eléctrico que sirve como guía al estudiante, permitiendo así conocer una
forma de ensamblar los dispositivos. Adicional a esto el presente proyecto
presenta algunos ejemplos sencillos de programación de pics, con esto se
busca ayudar y reforzar el método de enseñanza de la institución y a su vez
facilitar el aprendizaje por parte del estudiantado.
CAPITULO IIMetodológica
Modalidad de la Investigación
Toda investigación sigue algunos parámetros que hacen más eficiente
su desarrollo, dichos parámetros enmarcan la investigación en un área
específica. Según manual de trabajo especial de grado del Instituto
Universitario Politécnico “Santiago Mariño” IUPSM (2006):
“La modalidad que adopte el Trabajo Especial de Grado (TEG) se relaciona directamente con el tipo de Investigación que el estudiante desarrollará para darle solución a una determinada situación problema. Desde esta perspectiva el TEG puede adoptar las siguientes modalidades: (a) de Campo, (b) Documental, (c) de Proyecto Factible”
De acuerdo a lo establecido por el manual de grado del IUPSM (2006),
a los objetivos planteados y requerimientos del proyecto se pudo ubicar el
Proyecto de Investigación dentro de la modalidad de Proyecto factible
apoyada en una Investigación de Campo, ya que busca analizar un
problema con el objeto de describirlo, explicar sus causas, efectos y
elementos que lo conforman, a su vez esta investigación se complementa en
una investigación de campo ya que fue sustentado por información
proveniente de entrevistas y observaciones, en la que se obtuvo información
directamente en la realidad.
Materiales o Equipos de la Investigación
Para realizar el presente proyecto fue necesario contar con una serie
de materiales y disponer de algunos equipos los cuales se muestran en el
siguiente cuadro:
Caudro N°1. Materiales y Equipos de la Investigación
Materiales Equipos
Pantalla LCD 16x2, Potenciómetro,
Resistencias Varias, Cristal, Zócalo
de 40 pines, Baquelita, Teclado
Matricial 3x4, Regulador de Voltaje
7805, Espadines, Ácido cloruro
ferrico, Estaño
Caustin, Computadora, Impresora,
Quemador de Pic, Multimetro
Procedimientos de la Investigación
Con el fin de simplificar el desarrollo del proyecto, la idea principal se
desglosó dando como resultados cuatro objetivos representados en las
siguientes fases:
Fase I. Diagnostico de la situación actual en cuanto las herramientas y
dispositivos disponibles para las prácticas con pics en el laboratorio de
Microcontroladores del Instituto universitario Politécnico “Santiago Mariño”
extensión Maracay:
En la presente fase se entrevisto a la directora de Escuela de
Ingeniería Electrónica del Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
extensión Maracay, Ing. Rhina Castillo, donde se hablo sobre las debilidades
presente en el laboratorio de Microcontroladores de la institución,
concluyendo que si hacían falta algunas herramientas que apoyan a las
practicas que se realizan en dicho laboratorio, en este caso se hablo
específicamente sobre el diseño de una tarjeta electrónica que ayude en la
prácticas con microcontroladores. Se utilizo un guion de entrevista no
estructura para sintetizar la información obtenida de la entrevista.
Fase II. Determinacion de las características de las variables más comunes
trabajadas en la carrera de Ingeniería Electrónica, en el Instituto Universitario
Politécnico “Santiago Mariño” extensión Maracay, Edo. Aragua:
A continuación se estudio las principales variables con las que
trabajan durante la carrera de ingeniería electrónica en la institución,
llamando variables a las magnitudes físicas de la materia (temperatura,
húmeda, intensidad luminosa, distancia, fuerza, entre otras) y por
consiguiente a los sensores encargados de sensarlas, además también se
incluyen como variables a las señales de salida(alarmas luminosas, sonoras,
entre otras) así como también al encendido de dispositivos como motores,
selenoides, bombas etc. Sabiendo esto y de la gran variedad de sensores
que existen en el mercado se prefirió trabajar en función de las señales
básicas para la activación de los mismos (entradas analógicas, digitales y
salidas digitales).
Las entradas analógicas están conectadas a un potenciómetro el cual
emula algún sensor analógico, como por ejemplo un LM35 (sensor de
temperatura) o algún otro sensor que trabaje de esta forma. En cuanto a las
entradas digitales son destinadas a sensores digitales, entiéndase a los que
trabajan en función a unos (1) y ceros (0) en lenguaje digital, un sensor
infrarrojo por ejemplo, respecto a las salidas digitales fueron pensadas para
dispositivos de indicación (leds, buzzers, etc.) en donde también pudieran
adicionar algún relé para trabajar con otros dispositivos que exijan mayor
voltaje.
Cabe destacar que la tarjeta fue diseñada para trabajar con pics de 40
pines tipo Dual in-line package (DIP), ya que se consideraron los más
comunes y adecuados para trabajar, (ver anexo ##) específicamente los
16F874/74A, 16F877/77A, 18F458/448, elegidos estos debido a la facilidad
de adquisición tanto por precio y disponibilidad con respecto a otros de
similares características.
Fase III. Selección de los dispositivos electrónicos para el diseño de la tarjeta
electrónica verificadora de la programación de los pic de 40 pines:
En esta fase se seleccionaron los dispositivos que se consideraron
adecuados para la construcción de la tarjeta electrónica. Primeramente se
eligió una pantalla LCD 16x2 por ser la más común y de fácil adquisición,
cuyas características se muestran a continuación:
Pantalla de caracteres ASCII, además de los caracteres Kanji y Griegos.
Desplazamiento de los caracteres hacia la izquierda o la derecha.
Proporciona la dirección de la posición absoluta o relativa del carácter.
Memoria de 40 caracteres por línea de pantalla.
Movimiento del cursor y cambio de su aspecto.
Permite que el usuario pueda programar 8 caracteres.
Conexión a un procesador usando un interfaz de 4 u 8 bits.
También se eligió un teclado matricial estos vienen generalmente en
dos presentaciones: 3x4 y 4x4. Donde el primer número indica las cantidades
de columnas y el segundo las cantidades de filas. Por ejemplo 3x4 significa 3
columnas por 4 filas, para un total de 12 teclas, eligiéndose este ultimo
debido a que al igual que la pantalla su uso es muy común en los proyectos
realizados en la institución y también es de fácil adquisición. Ver Figura Nº1
Figura Nº1. Teclado Matricial 3x4
Como se ve en la figura, el teclado cuenta con 7 pines de control. Por
ejemplo cuando aprietas la tecla numero 1 se conectan los pines 2 y 3, para
la tecla 5 se conectan los pines 7 y 1.
Además también se escogieron dos potenciómetros de 5K que no es
más que un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera,
indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un
circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en
serie debido a que Los potenciómetros proporcionan transiciones suaves de
los niveles de tensión, en este proyecto se utilizo para simular los posibles
sensores analógicos que puedan usar. Además también se escogió un cristal
(oscilador de frecuencia) de 4Mhz esto debido a presenta una frecuencia
media donde el microcontrolador trabaja de una forma cómoda y efectiva.
Cabe destacar que el uso del cristal es obligatorio ya que este brinda
la frecuencia en que trabajará el microcontrolador, sometido a un estímulo
eléctrico puede vibrar a una cierta frecuencia, si se mantiene el estímulo de
manera periódica y sincronizada, se tendrá una señal a una frecuencia
precisa la cual se aprovecha para generar la señal de reloj que es necesaria
en todos los circuitos digitales. Adicional a esto se utilizaron algunos leds
para visualizar la activación de las señales de salida de igual forma se utilizó
una base o zócalo para pics de 40 pines el cual permite colocar y remover
los pics.
Fase IV. Desarrollo de la tarjeta electrónica que verifique la programación de
los pics de 40 pines:
Luego de llevar a cabo los pasos necesarios planteados en las fases
anteriores, se procedió al diseño de del diagrama electrónico, el layado y la
selección de los componentes considerados ideales para llevar a cabo el
diseño y ensamble del dispositivo.
CAPITULO III
Propuesta
El presente proyecto busca brindar una herramienta didáctica que
facilite las practicas de los estudiantes en el laboratorio de
Microcontroladores del Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Extensión Maracay, esto con el fin de ayudar en cuanto al método de
enseñanza y por consiguiente fortalecer el aprendizaje en relación con las
practicas y trabajos con Pics, esto gracias a una tarjeta electrónica que
permitirá verificar la programación de los Pics. Sin la necesidad de
ensamblar algunos de los dispositivos electrónicos que son necesarios para
ver el resultado de la programación.
Objetivos de la propuesta
Objetivo General
Elaborar el diseño de una tarjeta electrónica para la verificación de la
programación de pics de 40 pines para el laboratorio de Microcontroladores
del Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” Extensión Maracay,
Edo. Aragua
Objetivos Específicos
Realizar el diagrama de la Tarjeta Electrónica para la verificación de la
programación de pics de 40 pines para el Laboratorio de Microcontroladores.
Diseñar el layado para la Tarjeta Electrónica
Ensamblar los dispositivos y componentes de la Tarjeta Electrónica.
Desarrollo o Estructura
El presente proyecto se desarrolló principalmente para la elaboración
de una tarjeta electrónica para la verificación de la programación de Pics de
40 pines, para llevarlo a cabo se debió realizar el diagrama electrónico de la
tarjeta, de igual forma diseño y elaboró el layado para la misma, para
posteriormente proceder a ensamblar la tarjeta.
En cuanto al diseño del diagrama eléctrico (Ver Anexo) se considero la
configuración más sencilla a continuación se describe dicha configuración:
El pin uno (1) corresponde al reset del pic, este al aplicarse un tensión
reinicia la programación, en la tarjeta se coloco un pulsador en serie con una
resistencia, y alimentado por 5v para cumplir precisamente la función de
reset, los pines del dos (2) hasta el diez (10) Puertos RA y RE, fueron
configurados para entradas analógicas, dejando los pines dos (2) y tres (3)
RA0 y RA1 respectivamente, configurados con unos potenciómetros que
simulan ser sensores analógicos, los pines trece (13) y catorce (14)
corresponden a la entrada y salida del oscilador de cristal, los pines quince
(15) hasta el dieciocho (18) y del veintitrés (23) hasta el veintiséis (26) que
comprenden el puerto RC fueron configurados como entradas para el teclado
matricial, los pines desde el diecinueve (19) hasta el veintidós (22) y desde el
veintisiete (27) hasta el treinta (30) que corresponden con el puerto RD se
destinaron a la pantalla LCD, finalmente los pines que conforman el puerto
RB fueron configurados desde treinta y tres (33) hasta el treinta y seis (36)
como entradas digitales y desde la treinta y siete (37) hasta el cuarenta (40)
configurados como salidas conectadas a unos leds cada una, que sirven
para visualizar la activación de la misma. Cabe destacar que en cada una de
las entradas incluyendo las del teclado cuentan con una resistencia de 10k
conectada a tierra, que sirven para filtrar las señales de entradas para
facilitar la correcta lectura de las señales.
Estudio de Factibilidad
Factibilidad técnica
Siendo el proyecto una tarjeta electrónica diseñada para pruebas, se
considera fiable en cuanto a los elementos que la constituyen esto quiere
decir que de respetar los parámetros de su configuración los alumnos
pueden estar seguros que si se presentan fallas en cuanto el circuito que
pretenden ensamblar, específicamente en la programación de dicho circuito
la falla se encuentra en la programación y no en el montaje del circuito
debido a que los componentes fueron previamente probados y se garantiza
su correcto funcionamiento, debido a esto el alumno puede disponer de más
tiempo para la programación y despreocuparse un poco de la tarea de
ensamblar los dispositivos electrónicos, para ver el correcto funcionamiento
de la programación.
Factibilidad Económica:
Los estudios de factibilidad económica incluyen análisis de costos y
beneficios asociados con cada alternativa del proyecto a continuación se
presente un valor estimado para la construcción de la tarjeta:
Cuadro N°2. Lista de Precios
Materiales Precio Unidad Precio Total
Pantalla LCD 16x2 170Bs 170Bs
Potenciómetro 10Bs 20Bs
Resistencias Varias 1Bs 40Bs
Cristal 7Bs 7Bs
Zócalo de 40 pines 30bs 30bs
Baquelita 70Bs 70Bs
Teclado Matricial 3x4 100Bs 100Bs
Regulador de Voltaje
7805
15bs 15bs
Espadines 20Bs 40Bs
Ácido cloruro ferrico 50Bs 50Bs
Estaño 65Bs 65Bs
Precio neto total
607Bs
Con un valor aproximado de 600Bs la Tarjeta puede ser construida por los
estudiantes de la institución y realizar un gasto casi único y duradero a largo
plazo, debido a su funcionalidad. Otra ventaja que puede considerarse es el
evitar gastos en asesoramientos iniciales respecto a la programación y
montaje del circuito.
CONCLUSION
Al realizar la investigación se puedo conocer la importancia de contar
con los instrumentos adecuados a la hora de aprender cualquier oficio, en
este caso en los primeros pasos para el aprendizaje de programación de
Pics. Y el tiempo que se pueden ahorrar al disponer de la información
adecuada que permita agilizar el proceso de aprendizaje. Por lo tanto la
presente investigación se encargo de diseñar una tarjeta Electrónica para la
verificación de la programación de pic de 40 pines para el Laboratorio de
Microcontroladores del Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Extensión Maracay, Edo. Aragua. Esto se llevo a cabo determinado las
características de las variables mas trabajadas en la carrera de Ingeniería
Electrónica en el Instituto, para posteriormente seleccionar los dispositivos
electrónicos, diseñar tanto el diagrama electrónico como el layado y
finalmente se ensamblo la Tarjeta Electrónica, para ser donada a la
institución
ANEXOS
Anexo ADatasheet Pantalla LCD 16x2
Anexo BDatasheet Familia Pics 18fxx8
Anexo C Datasheet Famila Pics 16F8xx