Ing. Juan Gilberto Mateos Suárez, Código;7917333, [email protected]Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada. Página 1 FRECUENCÍMETRO CON PIC Y DISPLAY LCD Juan José Santana Andrade Universidad De Guadalajara [email protected]1. Desarrollo 1.1 Frecuencímetro con PIC y Display LCD 1.1.1 Ensamblador 1.1.2 Compilado 2. Bases teóricas 2.1 Los Reguladores de Tensión 2.2 Puerta lógica 2.2.1 Puerta NO-Y (NAND) 2.3 Microcontrolador PIC 2.3.1 Juego de instrucciones y entorno de programación 2.3.2 Programación del PIC 2.3.3 Programadores 2.3.4 Depuradores integrados 2.3.5 Emuladores 2.3.6 Tamaño de palabra 2.3.7 Características 2.3.8 Variaciones del PIC 2.3.8.1 PICs modernos
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FRECUENCÍMETRO CON PIC Y DISPLAY LCD Juan José Santana Andrade Universidad De Guadalajara
2.3.1 Juego de instrucciones y entorno de programación
2.3.2 Programación del PIC
2.3.3 Programadores
2.3.4 Depuradores integrados
2.3.5 Emuladores
2.3.6 Tamaño de palabra
2.3.7 Características
2.3.8 Variaciones del PIC
2.3.8.1 PICs modernos
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2.3.8.2 Clones del PIC
2.3.8.3 PICs wireless
2.3.8.4 PICs para procesado de señal (dsPICs)
2.3.8.5 PICs más comúnmente usados
2.3.8.6 PICs en Internet
2.4 LCD
2.4.1 LCD en la industria
2.4.2 LCD de texto
2.4.3 LCD de gráficos
2.5 Simulación de la primera parte del circuito
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Con este proyecto se pretende facilitar aún más las lecturas de frecuencia de las señales y a la vez darle un poco más de vista y estética al agregarle un LCD al frecuencímetro. Además de esto con un costo bajo se le da la oportunidad al estudiante que no tiene los recursos suficientes para adquirir un frecuencímetro más ostentoso, la oportunidad de tenerlo a su alcance. La idea de hacer este circuito nace de las peticiones constantes por la falta de más frecuencímetros que no es muy común verlos tanto como los voltímetros, amperímetros, osciloscopios, etc. También con este trabajo se desea que los conocimientos adquiridos por los estudiantes a lo largo de sus cursos, sean aplicados en este tipo de proyectos, para cumplir con el fin en común de todos los ingenieros, que es el de diseñar. Se recomienda que se cuide bastante al armar el circuito los ajustes que se le deben hacer y que alimentaciones sean correctas para que no se dañe el equipo, sobretodo el microcontrolador y la pantalla.
ANTECEDENTES
Frecuencímetro Virtual
• PIC12C508 programado • Alimentación: 9V CD • Puerto: serial • Señal: hasta 15 Volts • Acondicionador: 74HC14 • Diagrama esquemático
Este frecuencímetro virtual se presenta en una tarjeta de circuito impreso de fibra de vidrio con un PIC12C508 a bordo preprogramado. Se suministra con un cable para conectarse al puerto serial de una PC. Y con un broche para instalar una batería de 9V. El software para Windows 95/98 es muy amigable y se proporciona en un disco de 3 1/2, junto con el diagrama esquemático.
Cuenta con bornes atornillables para instalar los cables que se requieren para hacer las medicioneS de frecuencia.
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El PIC12C508 es el corazón del frecuencímetro, actúa como contador y también se encarga de comunicarse con la PC. Un cristal de 4Mhz se encarga de proporcionar la señal de reloj del microcontrolador. El rango de frecuencias que es capaz de medir es desde 1 hasta 80Mhz.
Un 74HC14 y un juego de resistencias se utiliza para acondicionar el nivel de voltaje de las señales a medir. Resistencias de 0, 1, 5, 20, 50 y 100 permiten atenuar el voltaje desde 5V para la entrada sin resistencia hasta 15V para la entrada a 100K.
Cuando se desconoce la amplitud de la señal que se va a medir es conveniente conectarla primero a la entrada de 100K y después ir reduciendo la resistencia.
Algunas precauciones son necesarias para utilizar este instrumento:
1. La temperatura influye en la frecuencia del cristal de 4Mhz lo que puede producir pequeños errores.
2. Como el instrumento es auto rango, las frecuencias más altas se dividen entre 128 lo que también puede producir pequeños errores.
3. En caso de sustituir el circuito integrado 74HC14 se debe utilizar uno de alta velocidad. [4]
1. DESARROLLO
1.1 Frecuencímetro con PIC y Display LCD
Este dispositivo muestra en una pantalla de cristal líquido de 16 caracteres y una línea el valor de la frecuencia de una señal en su entrada.
Como se ve en el diagrama es muy fácil de armar, quedando todo el trabajo pesado para el programa cargado en el PIC. Un solo ajuste es necesario: Deberá ajustar el preset de 500 Ohms (en la base del transistor 2N4403) hasta leer en el punto marcado con X 5 voltios. Luego de esto el sistema estará listo para funcionar.
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En su alimentación requiere dos tensiones diferentes 5v y 9v.
Esta fuente es interesante ya que permite alimentar el sistema con sólo una tensión la cual deberá ser igual o superior a 12v, con una corriente de 1 A.
El código a cargar en el microcontrolador está disponible en dos versiones ENSAMBLADOR y COMPILADO. La primera deberá ser compilada previamente con MPASM. La segunda está lista para ser subida al micro.
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En la figura vemos un típico integrado regulador de tensión, a pesar que es parecido a un transistor, estos son circuitos integrados. Tenemos los puntos E, entrada de la fuente de alimentación; T, tierra y S, salida regulada. El "78", nos indica que es un regulador positivo (existe la serie "79" que regula negativamente); XX nos indica a que voltaje regulara. Estos pueden ser; 7805, 7806, 7808, 7810, 7812, 7815, 7818, 7822 y 7824. Note que no hay ninguno que regule a 13,8 volt. El voltaje de alimentación de estos, dependerá del regulador, a continuación les presento una tabla con el voltaje de entrada, mínima y máxima, para que tengan en cuenta. [5]
Tensión en Volt Tipo de Regulador Mínima Máxima
7805 7 25
7806 8 25 7808 11 25 7810 13 28
7812 15 30 7815 18 30
7818 21 33 7822 25 36 7824 27 38
Resumiendo, el 7812 nos dará una tensión de 12 volt y el 7815, una tensión de 15 volt. La fuente de alimentación, tendrá que tener unos 3 volt mas, como mínimo, de la tensión de salida. Los rango de temperatura serán entre 0º y 125º, para una corriente de salida de 1 Amper, por lo que es aconsejable colocarle un disipador de calor para evitar que este se queme. El indice de error en la tensión de salida es de +/- 0,25 volt, así un 7805 podrá tener entre 4,75 y 5,25 volt de salida. También tenemos que tener en cuenta a la hora de comprar un regulador, el tipo de regulador que compramos ya que algunos vienen para 0,1 Amper y otros hasta 3 Ampers. Esto depende de la serie del regulador, estas son las siguientes:
Tipo de Regulador
Potencia en Ampers Zocalo
78XX 1,0 TO-204, TO-220
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Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico que es la expresión física de un operador booleano en la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip.
Claude Elwood Shannon experimentaba con relés o interruptores electromagnéticos para conseguir las condiciones de cada compuerta lógica, por ejemplo, para la función booleana Y (AND) colocaba interruptores en circuito serie, ya que con uno solo de éstos que tuviera la condición "abierto", la salida de la compuerta Y sería = 0, mientras que para la implementación de una compuerta O (OR), la conexión de los interruptores tiene una configuración en circuito paralelo.
La tecnología microelectrónica actual permite la elevada integración de transistores actuando como conmutadores en redes lógicas dentro de un pequeño circuito integrado. El chip de la CPU es una de las máximas expresiones de este avance tecnológico.
2.2.1 Puerta NO-Y (NAND)
Símbolo de la función lógica NO-Y. a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado
La puerta lógica NO-Y, más conocida por su nombre en inglés NAND, realiza la operación de producto lógico negado. En la figura de la derecha pueden observarse sus símbolos en electrónica.
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La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NAND es:
Su tabla de verdad es la siguiente:
Tabla de verdad puerta NAND
Entrada A Entrada B Salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Podemos definir la puerta NO-Y como aquella que proporciona a su salida un 0 lógico únicamente cuando todas sus entradas están a 1. [3]
2.3 Microcontrolador PIC
Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments.
El nombre actual no es un acrónimo, en realidad el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico).
El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva UCP de 16 bits de General Instruments, el CP16000. Siendo en general una buena UCP, el CP1600 tenía malas prestaciones de E/S, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la UCP. El PIC utilizaba microcódigo simple almacenado en memoria ROM para realizar estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del oscilador.
En 1985 la división de microelectrónica de General Instrument se convirtió en una filial y el nuevo propietario canceló casi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayoría estaban
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obsoletos. El PIC, sin embargo, se mejoró con EPROM para conseguir un controlador de canal programable. Hoy en día multitud de PICs vienen con varios periféricos incluídos (módulos de comunicación serie, UARTs, núcleos de control de motores, etc.) y con memoria de programa desde 512 palabras a 32.000 palabras (una palabra corresponde a una instrucción en ensamblador, y puede ser 12, 14 o 16 bits, dependiendo de la familia específica de PCImicro).
2.3.1 Juego de instrucciones y entorno de programación
El PIC usa un juego de instrucciones tipo RISC, cuyo número puede variar desde 35 para PICs de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de condicionamiento y de salto/retorno, implementación de interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada sleep.
Microchip proporciona un entorno de desarrollo freeware llamado MPLAB que incluye un simulador software y un ensamblador. Otras empresas desarrollan compiladores C y BASIC. Microchip también vende compiladores para los PICs de gama alta ("C18" para la serie F18 y "C30" para los dsPICs) y se puede descargar una edición para estudiantes del C18 que inhabilita algunas opciones después de un tiempo de evaluación.
Para Pascal existe un compilador de código abierto, JAL, lo mismo que PicForth para el lenguaje Forth. GPUTILS es una colección de herramientas distribuídas bajo licencia GNU que incluye ensamblador y enlazador, y funciona en Linux, MacOS y Microsoft Windows. GPSIM es otra herramienta libre que permite simular diversos dispositivos hardware conectados al PIC.
2.3.2 Programación del PIC
Para transferir el código de un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llamado programador. La mayoría de PICs que Microchip distribuye hoy en día incorporan ICSP (In Circuit Serial Programming, Programación serie incorporada) o LVP (Low Voltage Programming, Programación a bajo voltaje), lo que permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Para la ICSP se usan los pines RB6 y RB7 como reloj y datos y el MCLR para activar el modo programación aplicando un voltage de unos 11 voltios. Existen muchos programadores de PICs, desde los más simples que dejan al software los detalles de comunicaciones, a los más complejos, que pueden verificar el dispositivo a diversas tensiones de alimentación e implementan en hardware casi todas las funcionalidades. Muchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos PICs preprogramados como interfaz para enviar las órdenes al PIC que se desea programar. Uno de los programadores más simples es el TE20, que utiliza la linea TX del puerto RS232 como alimentación y las lineas DTR y CTR
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para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador está en modo programación. El sofware de programación puede ser el ICprog, muy común entre la gente que utiliza este tipo de microcontroladores.
Se pueden obtener directamente de Microchip muchos programadores/depuradores (octubre 2005):
2.3.3 Programadores
• PICStart Plus (puerto serie) • Promate II (puerto serie) • MPLAB PM3 (puerto serie y USB) • ICD2 (puerto serie y USB) • PICKit 1 (USB) • PICKit 2 (USB)
2.3.4 Depuradores integrados
• ICD2 (USB)
2.3.5 Emuladores
• ICE2000 (puerto paralelo, convertidor a USB disponible) • ICE4000 (USB) • PIC EMU • PIC CDlite
2.3.6 Tamaño de palabra
El tamaño de palabra de los microcontroladores PIC es fuente de muchas confusiones. Todos los PICs (excepto los dsPIC) manejan datos en trozos de 8 bits, con lo que se deberían llamar microcontroladores de 8 bits. Pero, a diferencia de la mayoría de UCPs, el PIC usa arquitectura Harvard, por lo que el tamaño de las instrucciones puede ser distinto de tamaño de la palabra de datos. De hecho, las diferentes familias de PICs usan tamaños de instrucción distintos, lo que hace difícil comparar el tamaño del código del PIC con el de otros microcontroladores. Por ejemplo, pongamos que un microcontrolador tiene 6144 bytes de memoria de programa: para un PIC de 12 bits esto significa 4096 palabras y para uno de 16 bits, 3072 palabras.
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2.3.7 Características
Los PICs actuales vienen con una amplia gama de mejoras hardware incorporadas:
• Núcleos de UCP de 8/16 bits con Arquitectura Harvard modificada • Memoria Flash y ROM disponible desde 256 bytes a 256 kilobytes • Puertos de E/S (típicamente 0 a 5,5 voltios) • Temporizadores de 8/16 bits • Tecnología Nanowatt para modos de control de energía • Periféricos serie síncronos y asíncronos: USART, AUSART, EUSART • Conversores analógico/digital de 10-12 bits • Comparadores de tensión • Módulos de captura y comparación PWM • Controladores LCD • Periférico MSSP para comunicaciones I2C, SPI, y I2S • Memoria EEPROM interna con duración de hasta un millón de ciclos de
lectura/escritura • Periféricos de control de motores • Soporte de interfaz USB • Soporte de controlador Ethernet • Soporte de controlador CAN • Soporte de controlador LIN • Soporte de controlador Irda
2.3.8 Variaciones del PIC
2.3.8.1 PICs modernos
Los viejos PICs con memoria PROM o EPROM se estan renovando gradualmente por chips con memoria Flash. Así mismo, el juego de instrucciones original de 12 bits del PIC1650 y sus descendientes directos ha sido suplantado por juegos de instrucciones de 14 y 16 bits. Microchip todavía vende versiones PROM y EPROM de la mayoría de los PICs para soporte de aplicaciones antiguas o grandes pedidos.
2.3.8.2 Clones del PIC
Por todos lados surgen compañías que ofrecen versiones del PIC más baratas o mejoradas. La mayoría suelen desaparecer rápidamente. Una de ellas que va perdurando es Ubicorn (antiguamente Scenix) que vende clones del PIC que funcionan mucho más rápido que el original. OpenCores tiene un núcleo del PIC16F84 escrito en Verilog.
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2.3.8.3 PICs wireless
El microcontrolador rfPIC integra todas las prestaciones del PICmicro de Microchip con la capacidad de comunicación wireless UHF para aplicaciones RF de baja potencia. Estos dispositivos ofrecen un diseño muy comprimido para ajustarse a los cada vez más demanadado requerimientos de miniaturización en aparatos electrónicos.
2.3.8.4 PICs para procesado de señal (dsPICs)
Los dsPICs son el último lanzamiento de Microchip, comenzando a producirlo s a gran escala a finales de 2004. Son los primeros PICs con bus de datos inherente de 16 bits. Incorporan todas las posibilidades de los anteriores PICs y añaden varias operaciones de DSP implementadas en hardware, como multiplicación con suma de acumulador (multiply-accumulate, o MAC), barrel shifting, bit reversion o multiplicación 16x16 bits.
2.3.8.5 PICs más comúnmente usados
• PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines, oscilador interno, popular en pequeños diseños como el iPod remote)
• PIC16F84 (Considerado obsoleto, pero imposible de descartar y muy popular) • PIC16F84A (Buena actualización del anterior, algunas versiones funcionan a 20 MHz,
compatible 1:1) • PIC12F629/675 • PIC16F628 • La familia PIC16F87X (los hermanos mayores del PIC16F84, con cantidad de mejoras
incluidas en hardware. Bastante común en proyectos de aficionados) • PIC18F452
2.3.8.6 PICs en Internet
Se puede encontrar mucha información y documentación sobre PICs en Internet principalmente por dos motivos: el primero, porque han sido muy usados para romper los sistemas de seguridad de varios productos de consumo mayoritario (televisión de pago, Play Station...), lo que atrae la atención de los crackers; y segundo, porque el PIC16C84 fue uno de los primeros microcontroladores fácilmente reprogramables para aficionados. Hay muchos foros y listas de correo dedicados al PIC en los que un usuario puede proponer sus dudas y recibir respuestas. [2]
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2.4 LCD
LCD son las siglas en inglés de "Pantalla de Cristal Líquido" ("Liquid Crystal Display") inventado por Jack Janning que fue empleado de NCR.
Se trata de un sistema eléctrico de presentación de datos formado por 2 capas conductoras transparentes y en medio un material especial cristalino (cristal líquido) que tienen la capacidad de orientar la luz a su paso.
Cuando la corriente circula entre los electrodos transparentes con la forma a representar (por ejemplo, un segmento de un número) el material cristalino se reorienta alterando su transparencia.
El material base de un LCD lo constituye el cristal líquido, el cual exhibe un comportamiento similar al de los líquidos y unas propiedades físicas anisotrópicas similares a las de los sólidos cristalinos. Las moléculas de cristal líquido poseen una forma alargada y son más o menos paralelas entre sí en la fase cristalina. Según la disposición molecular y su ordenamiento, se clasifican en tres tipos: nemáticos, esméticos y colestéricos. La mayoría de cristales responden con facilidad a los campos eléctricos, exhibiendo distintas propiedades ópticas en presencia o ausencia del campo. El tipo más común de visualizador LCD es, con mucho, el denominado nemático de torsión, término que indica que sus moléculas en su estado desactivado presentan una disposición en espiral. La polarización o no de la luz que circula por el interior de la estructura, mediante la aplicación o no de un campo eléctrico exterior, permite la activación de una serie de segmentos transparentes, los cuales rodean al cristal líquido. Según sus características ópticas, pueden también clasificarse como: reflectivos, transmisivos y transreflectivos. [5]
2.4.1 LCD en la industria
Composición por segmentos y por píxeles
Las pantallas LCD se encuentran en multitud de dispositivos industriales y de consumo: máquinas expendedoras, electrodomésticos, equipos de telecomunicaciones, computadoras,
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etc. Todos estos dispositivos utilizan pantallas fabricadas por terceros de una manera más o menos estandarizada. Cada LCD se compone de una pequeña placa integrada que consta de:
La propia pantalla LCD.
Un microchip controlador.
Una pequeña memoria que contiene una tabla de caracteres.
Un interfaz de contactos eléctricos, para conexión externa.
Opcionalmente, una luz trasera para iluminar la pantalla.
El controlador simplifica el uso del LCD proporcionando una serie de funciones básicas que se invocan mediante el interfaz eléctrico, destacando:
La escritura de caracteres en la pantalla.
El posicionado de un cursor parpadeante, si se desea.
El desplazamiento horizontal de los caracteres de la pantalla (scrolling).
Etc.
La memoria implementa un mapa de bits para cada carácter de un juego de caracteres, es decir, cada octeto de esta memoria describe los puntitos o pixels que deben iluminarse para representar un carácter en la pantalla. Generalmente, se pueden definir caracteres a medida modificando el contenido de esta memoria. Así, es posible mostrar símbolos que no están originalmente contemplados en el juego de caracteres.
El interfaz de contactos eléctricos suele ser de tipo paralelo, donde varias señales eléctricas simultáneas indican la función que debe ejecutar el controlador junto con sus parámetros. Por tanto, se requiere cierta sincronización entre estas señales eléctricas.
La luz trasera facilita la lectura de la pantalla LCD en cualquier condición de iluminación ambiental.
Existen dos tipos de pantallas LCD en el mercado: pantallas de texto y pantallas gráficas.
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2.4.2 LCD de texto
Los LCD de texto son los más baratos y simples de utilizar. Solamente permiten visualizar mensajes cortos de texto. Existen algunos modelos estandarizados en la industria, en función de su tamaño medido en número de líneas y columnas de texto. Existen modelos de una, dos y cuatro filas únicamente. El número de columnas típico es de ocho, dieciséis, veinte y cuarenta caracteres.
El controlador Hitachi HD44780 se ha convertido en un estándar de industria cuyas especificaciones funcionales son imitadas por la mayoría de los fabricantes. Este controlador cuenta con los siguientes interfaces eléctricos:
D0-D7: ocho señales eléctricas que componen un bus de datos.
R/W: una señal que indica si se desea leer o escribir en la pantalla (generalmente solamente se escribe).
RS: una señal que indica si los datos presentes en D0-D7 corresponden bien a una instrucción, bien a sus parámetros.
E: una señal para activar o desactivar la pantalla.
V0: señal eléctrica para determinar el contraste de la pantalla. Generalmente en el rango de cero a cinco voltios. Cuando el voltaje es de cero voltios se obtienen los puntos más oscuros.
Vss y Vdd: señales de alimentación. Generalmente a cinco voltios. La señal Vss sirve para encender la luz trasera de la pantalla en algunos modelos.
Estas señales son fácilmente controladas desde un ordenador a través de un interfaz paralelo, típicamente a través del interfaz IEEE 1284, también conocido como "Centronics". El mismo que se utiliza para conectar impresoras. [3]
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2.4.3 LCD de gráficos
Detalle de una pantalla LCD en color
Las pantallas LCD gráficas permiten encender y apagar individualmente pixels de la pantalla. De esta manera es posible mostrar gráficos en blanco y negro. No solamente texto. Los controladores más populares son el Hitachi HD61202 y el Samsung KS0108. Los tamaños también están estandarizados y se miden en filas y columnas de pixeles. Algunos tamaños típicos son 128x64 y 96x60. Naturalmente, algunos controladores también permiten la escritura de texto de manera sencilla.
Estas pantallas son más caras y complejas de utilizar. Existen pocas aplicaciones donde no baste con un LCD de texto. Se suelen utilizar, por ejemplo, en ecualizadores gráficos. [3]
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