UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS EXTENSIÓN LATACUNGA INNOVACIÓN PARA LA EXCELENCIA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.
DOCENTE:
ING. SIXTO REINOSO.
ASIGNATURA
NRC
Micro-controladores y PLC.
1582
TEMA:
INFORME Nº
Informe: PWM-ADC
UNIDAD
FECHA
Tres
31/07/2017
ESTUDIANTE: Azael Moyano Jonathan Espinoza Daniel Pantoja
Abril-Agosto Abril-Agosto 2017
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ARMADAS ESPE-L ESP E-L MICRO-CONTROLADORES Y PLC.
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso.
1. TEMA.- INFORME: PWM-ADC OBJETIVO GENERAL
Aplicar los conocimientos adquiridos sobre la materia de Micro-controladores Micro-controlad ores y PLC para el diseño de programas que nos permitan controlar el ancho de un pulso y aplicarlos en el control de motores CD, así como transformar señales analógicas en señales digitales.
OBJETIVO ESPECIFICO
Analizar la bibliografía necesaria que nos permita obtener los conocimiento para generar los programas.
Diseñar los programas y aplicarlos en un circuito en el programa Proteus que nos permitirá comprobar el correcto funcionamiento antes de aplicarlo en el protoboard.
Conocer las distintas funciones del PIC como es transformar una señal analógica en una digital
Despejar cualquier duda e inquietudes con respecto al tema con el tutor.
Realizar un informe de la práctica, con respecto al tema PWM. .
2. MARCOTEORICO. PWM (Modulación por ancho de pulsos) La función PWM es algo en lo que posiblemente no pensemos, un fundamento que desconoceremos si no tenemos amplios conocimientos de informática técnica, pero algo con lo que estamos más habituados de lo que podríamos imaginar. Este tipo de función se lleva a cabo en segundo plano, sin que lo sepamos, pero proporcionando ventajas importantes a nuestros equipos.
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. Hablamos de la función PWM como abreviatura de la modulación por ancho de pulsos , algo que se ha convertido en una práctica habitual de los interruptores de potencia modernos, controlando la energía de inercia. Esta acción tiene en cuenta la modificación del proceso de trabajo de una señal de tipo periódico. Puede tener varios objetivos, como tener el control de la energía que se proporciona a una carga o llevar a cabo la transmisión de datos. La función PWM requiere de un circuito en el cual hay distintas partes bien diferenciadas entre sí. El comparador es lo que se convierte en el nexo, contando con una salida y un total de dos entradas distintas. A la hora de configurarlo tenemos que tener en cuenta que una de las dos entradas se centra en dar espacio a la señal del modulador. Por su lado, la segunda entrada tiene que estar vinculada con un oscilador de tipo de dientes de sierra para que la función se pueda llevar a cabo con éxito. La señal que proporciona el oscilador con dientes es lo que determina la salida de la frecuencia. Es un sistema que ha dado buenas demostraciones de funcionar, convirtiéndose en un recurso muy utilizado en cuanto a la disponibilidad de recursos energéticos. Tenemos que tener en cuenta distintos factores a la hora de hablar de los usos prácticos de la función PWM . Con el paso de los años y desde que la PWM entrara en vigor, las placas madre contaron con sensores de temperatura, consultables desde la bios del equipo. A partir de ese momento se impuso reducir el ruido de la CPU, haciendo que el ordenador reaccionara de distintas maneras en base al contexto. Si por ejemplo, estamos utilizando el equipo con el objetivo de descargar archivos, como demos de videojuegos, realmente el ordenador no necesita una potencia superior a la mínima. En estos casos la CPU no se calienta, no necesita el ventilador y se debe evitar gastar energía de forma innecesaria. Cuando montamos un ordenador que deba poder ofrecer un rendimiento de primer nivel, pensamos en incluir la mayor potencia de ventilación, para que en situaciones críticas estos ventiladores puedan funcionar a toda máquina con el objetivo de evitar
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. problemas en el equipo. Pero esta configuración se desaprovecha en momentos como en el ejemplo citado de la descarga de archivos. En estas situaciones no es necesario que el ventilador gire a toda velocidad, sino que se puede mantener en los niveles mínimos. La función PWM es una manera de regularlo. Para perfeccionar esto se le añadió un cable adicional que manda una señal de la velocidad a la que está funcionando el ventilador. La placa base se encarga de regular la velocidad a la que debe ir el ventilador en cada momento. Si el equipo se calienta mucho, le dice con una señal que debe trabajar más. Para ello hay que configurar el ordenador desde la bios siempre pensando en obtener los menores índices de ruido. Para que la función PWM tenga más sentido y sea más completa, existen accesorios que se encargan de llevar esa señal a otros ventiladores que también se puedan beneficiar de ella. El objetivo común es mejorar lo máximo posible el rendimiento de estos equipos . En algunos de los tutoriales anteriores usábamos un truco para estimar la ocupación del PIC. Consistía en poner a 1 un cierto pin mientras estábamos haciendo una cierta tarea. Luego, nos bastaba con medir el voltaje medio (con un voltímetro) en dicho pin. Dicho voltaje (dividido por los 5V de alimentación) nos daba el % del tiempo que el pin estaba alto.La modulación PWM consiste precisamente en eso. El módulo PWM del micro genera una onda cuadrada con una frecuencia dada (típicamente bastante alta, por ejemplo 10 KHz). Luego nosotros podemos ir cambiando el ciclo de trabajo (% del periodo en ON) de la señal:
Figura. 1: Especificaciones de un pulso.
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. Si usamos un dispositivo externo con un ancho de banda suficiente, veremos la señal al completo, esto es, la modulación rápida (o portadora) de 10 KHz y las variaciones más lentas del ciclo de trabajo. Si por el contrario aplicamos un filtro paso-bajo a la señal PWM, los cambios rápidos (10 KHz) de la señal se eliminarán y simplemente veremos los cambios lentos del ciclo de trabajo, observando un voltaje "medio" entre 0 y 5V dependiendo del ciclo de trabajo (0% -> 100%) programado. No siempre es necesario implementar un filtro paso-bajo de forma explícita. Muchas veces usamos un dispositivo externo (voltímetro, motor, etc) con suficiente "inercia", de forma que no es capaz de seguir los cambios rápidos de la señal (los 10 KHz). Por así decirlo el dispositivo (motor, altavoz) lleva incorporado su propio filtro pasobajo. Lo que hemos conseguido es una especie de conversor digital analógico que nos permite traducir una orden digital (ciclo de trabajo del periodo PWM) en una variable analógica (el voltaje medio a la salida entre 0 y 5V). Obviamente tendremos algunas limitaciones. Como queremos que desaparezca la frecuencia de modulación (los 10 KHz) de antes los cambios (frecuencia) de la señal que queremos transmitir deben ser lo suficientemente lentos (frecuencia baja) para que no desaparezcan también en el filtrado paso-bajo (explícito o implícito) de nuestro dispositivo.
El módulo(s) PWM de un PIC El parámetro fundamental de una modulación PWM es la frecuencia (o su inverso el periodo) de modulación. En los PIC dicha frecuencia es programable (con ciertas limitaciones) en base a varias variables:
La frecuencia del oscilador principal Fosc
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El pre-scaler (PRE) o divisor previo del timer TMR2 que puede tomar los valores 1:1, 1:4 o 1:16
El registro PR2 (0-255) asociado al timer TMR2
La frecuencia PWM responde a la fórmula: F_pwm = F_osc / [4 x PRE x (PR2+1)] o lo que es lo mismo, el periodo del PWM será el inverso de dicha frecuencia: T_pwm = [(PR2+1) x 4 x PRE ] x Tosc El valor máximo del divisor previo PRE es 16 y el de (PR2+1) es 256. Por lo tanto la frecuencia PWM más baja posible será Fosc/16384. Para un oscilador de 20 MHz tenemos una Fpwm mínima de 1.22 KHz (20000/16384). Notad que el módulo PWM usa el timer TMR2, por lo que éste no podrá usarse como temporizador de propósito general mientras se esté usando PWM. Si que es posible usarlo (y ahorrarnos gastar otro timer) si queremos hacer saltar una interrupción cada cierto tiempo. El postscaler del TMR2 no tiene efecto sobre la frecuencia PWM, pero si influye sobre cuando salta (si está habilitada) la correspondiente interrupción (TMR2_flag). Si por ejemplo el post-scaler es 1:16 entonces la interrupción del TMR2 saltará cada 16 periodos del PWM. Lo primero que tenemos que hacer para usar el módulo PWM es habilitarlo indicando que va a usarse como generador de una onda PWM, ya que dicho módulo es compartido con otras funciones (Capture/Compare). La forma de hacerlo es poner a 11XX los 4 bits menos significativos del registro CCP1CON. Los PIC18 suelen tener 2 módulos PWM por lo que existe un segundo registro CCP2CON. Podemos habilitar uno o los dos módulos independientemente. Sin embargo, como ambos usan el registro PR2 y el timer TMR0 como base de tiempos, la frecuencia programada será la misma en ambos módulos.
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. Lo que sí es posible variar por separado es el ciclo de trabajo (duty cicle o DC) de cada módulo. El ciclo de trabajo se codifica con un número de hasta 10 bits (0-1023) almacenado de la siguiente forma:
CCPR1L.- 8 bits más significativos del ciclo de trabajo. CCP1CON.DC1B0 y DC1B1 (bits 5 y 6 de CCP1CON): Guardan los 2 bits menos significativos. La programación del % ON del segundo módulo es similar pero usando los registros CCP2CON y CCPR2L. Con los 10 bits dados el ciclo de trabajo se podrá especificar en principio con 1024 niveles (0 corresponde a 0% y 1023 al 100%). Sin embargo, los valores válidos pueden ser menores que los 1024 posibles. La razón es que el valor de DC (duty_cicle) determina el tiempo que la señal se mantiene alta (ON) de la forma: T_on
= [ DC x PRE] x Tosc
Recordando que el tiempo total del periodo es: T_pwm = [ (PR2+1) x 4 x PRE ] x Tosc Comparando ambas fórmulas y siendo obvio que el tiempo total ON no puede exceder el tiempo total del periodo tenemos que el valor máximo de DC es (PR2+1) x 4. Por lo tanto, aunque podemos dar a DC cualquier valor entre 0 y 1023 está claro que en realidad debemos limitarnos al rango [ 0, (PR2+1)x4 ]. Valores más altos van a hacer que Ton > Tpwm, o lo que es lo mismo, la señal PWM se mantiene alta todo el rato (100%).
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. En resumen, para mantener la máxima resolución (10 bits) a la hora de especificar DC es preciso usar PR2=255. Para una cierta frecuencia del oscilador Fosc podemos optar por tres frecuencias con la máxima resolución:
Figura. 2: Frecuencias para la misma Fosc..
Frecuencias por debajo de Fosc/16384 no son posibles porque los valores de PR2 y PRE están ya en su máximo posible. Frecuencias por encima de Fosc/1024 son posibles pero a costa de bajar PR2 y por lo tanto disponer de menor resolución para el ciclo de trabajo. Por ejemplo si aceptamos trabajar con 8 bits (valores de DC de 0 a 255) podemos llegar a una frecuencia de: F_pwm = F_osc / [PRE x 4 x (PR2+1)] = Fosc/(1 x 256) = 78 KHz para un oscilador de 20 MHz. La razón por la que para frecuencias muy altas no podemos especificar con tanta precisión el ciclo es que el periodo empieza a hacerse muy pequeño. En el caso anterior (Fpwm = Fosc/256) es obvio que en un ciclo del PWM sólo entran 256 ciclos del oscilador. Como es imposible que el micro haga algo entre ciclos de reloj, está claro que sólo puede bajar la línea del PWM en 256 puntos como mucho (esto es, con una resolución de 8 bits). Valores de frecuencias intermedios son también posibles, pero de nuevo van a exigir PR2<255. Por ejemplo para conseguir 10 KHz con un oscilador de 20 MHz Fosc / Fpwm =20000/10 = 2000 = 4 x PRE x (PR2+1) -> PRE x (PR2+1) = 500
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. Lo que se puede conseguir con PRE=2 y PR2 = 249. Pero entonces el valor del ciclo de trabajo (DC) tiene que moverse en el rango 0 a 4(PR2+1) = 1000. Con DC=1000 ya alcanzamos un 100% del ciclo de trabajo y valores superiores no tendrán ningún efecto extra. En cuanto al pin de salida al que se manda la señal PWM, usualmente la salida PWM1 va al pin RC2 y la del PWM2 al RC1 (notad el cambio 1-2). En algunos dispositivos (consultar datasheet) es posible cambiar la salida de PWM2 a otro pin mediante un bit de configuración. Las rutinas básicas del compilador C18 para manejar los módulos PWM son las siguientes (las declaraciones se encuentran en pwm.h): OpenPWM1(uint8 periodo).- Habilita el módulo y hace PR2=periodo SetDCPWM1(uint16 duty_cicle).- Establece ciclo de trabajo 0% -> 100% ClosePWM1().- Deshabilita módulo PWM Notad que las rutinas anteriores no tocan el timer TMR2. Es responsabilidad del usuario invocar a la rutina OpenTimer2 para fijar el valor del divisor o pre-scaler y arrancar el temporizador. La modulación por ancho de pulsos una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
Figura. 3: Tipos de pulso de señal.
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3. MATERIALES Y EQUIPOS.
Material y/o Equipo
Computadora
Programa PIC C compiler
Código y cantidad
Características
1
Para generar la programación
1
Para codificar los ejercicios
Para consultar la Internet
PIC 18F4050
bibliografía necesaria
1
Permitirá generar la practica Proporcionará la energía
Fuente de alimentación
1
eléctrica para el funcionamiento de los circuitos.
Multímetro
Protoboard
1
1
Para determinar los voltajes de alimentación.
Servirá para armar el circuito
Resistencias
Varias
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Impedir que los LED se quemen
Figura
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Cables
PICkit 2
Varios
Para transmitir corriente
1
Permitirá pasar la información del ordenador al PIC
4. DESARROLLO.
PRÁCTICA EFECTUADA
Uso del módulo ADC como multímetro de 0 a 20 Voltios (0-5 V) Circuito simulado en Proteus
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Pasos a efectuar 1. Realizar la programación en el programa CCS Compiler #include <18f4550.h> //Librerípara usar el PIC18F4550. #device ADC=10 #fuses INTRC_IO, NOPROTECT, NOWRT, NOPUT, NOWDT,NOMCLR //Configuración de fusib//HS #use delay (clock=4000000) //F = 8 MHz. #include #use standard_io(B)
//Usa librería estándar para el puerto B.
#byte port_b= 0xF81 int k=1; float voltaje=0; float leer; void main (void) { set_tris_b(0xFF);//puerto b como entrada pulsadores lcd_init(); setup_adc_ports(8); setup_adc (adc_clock_internal); disable_interrupts(GLOBAL); while (TRUE) { set_adc_channel (8); delay_ms(1); leer=read_adc();//almacena el voltaje para mostrarlo en pantalla voltaje=(leer*5.0)/1023.0; voltaje=voltaje*4; lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"VOLTIMETRO %d ",k);
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc," Voltaje=%2.2f",voltaje); } }
2. Simular el circuito utilizando el software Proteus
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. 3. Cargar el programa al PIC 18F4550 utilizando el programador Pickit
ANALISIS DE RESULTADOS Uso del módulo ADC como multímetro de 0 a 20 Voltios (0-5 V)
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. Para esta práctica se utiliza el puerto RB2 como entrada de señal para el multímetro, se puede usar cualquier puerto que tenga la opción de entrada analógica, en el PIC18f4550 existen 12 pines con esta función, para esta práctica, se utiliza el puerto RB2 que es la entrada analógica AN8, para el módulo adc utilizaremos una resolución de 10 bits, que es la máxima permitida utilizando la siguiente línea de código #device ADC=10 Se debe establecer dos variables de tipo flotante para almacenar los datos recibido por dicho PIN y otra para convertirlos al valor de voltaje que deseamos visualizar en el LCD float voltaje=0; float leer; La variable “voltaje” almacenará el valor obtenid o en la variable leer, pero convertido a valor de voltaje. Pero primero se debe activar el puerto AN8 para permitir que sirva como entrada analógica y además se establece el reloj interno para el módulo ADC, se lo hace con las siguientes líneas de código
setup_adc_ports(8); setup_adc (adc_clock_internal); para este caso activamos el AN8 y añadimos el reloj interno al módulo ADC, a continuación, ya dentro de un ciclo infinito obtenemos el valor de dicho Pin con las siguientes líneas de código y almacenamos el valor obtenido en la variable leer set_adc_channel (8); leer=read_adc(); el valor obtenido será de 0 a 1023, que corresponde de 0 a 5 voltios respectivamente, con el uso de una regla de 3 se procede a su conversión y la guardamos en la variable voltaje voltaje=(leer*5.0)/1023.0; Uno de los requerimientos de la práctica es que cuando el multímetro detecte 5 Voltios, el LCD marque 20 voltios, entonces se procede a multiplicar por 4 el valor almacenado en dicha variable voltaje=voltaje*4; MICRO-CONTROLADORES Y PLC.
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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Sixto Reinoso. Una vez ya multiplicado dicho valor se procede a mostrar el valor de la variable voltaje en el LCD
PRÁCTICA EFECTUADA Generar una señal PWM de 5 Khz,DC= 75 %(Simulador) Circuito simulado en Proteus
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Pasos a efectuar 1. Realizar la programación en el programa CCS Compiler #include <18f4550.h> //Librería para usar el PIC18F4550 #fuses INTRC_IO,WDT,NOPROTECT,NOPUT, NOPBADEN,NOMCLR //Configuración de fusibles. #use delay (clock= 4000000) //FOSC =12MHz. //#include //Incluye el LCD. #include //Librería stdlib.h void main(void) { //Función principal main int value= 37; //Define el factor de trabajo a la mitad de la señal. setup_ccp1(CCP_PWM); //Configure CCP1 como PWM. setup_timer_2(T2_DIV_BY_4, 49, 1); //Fija el divisor para 16, PR2 = 187 y un postscale de 1. while( TRUE ){ set_pwm1_duty(value); } //Fin del bucle. } //Fin del main.
2. Simular el circuito utilizando el software Proteus
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5. CONCLUSIONES
Se concluye que se debe usar un pre-escalar de 16 ya que la frecuencia del oscilador es alta y la del PWM es baja.
Gracias a los cálculos aprendidos en clases podemos obtener cualquier tipo de señal así como de 1, 5, 10 o 20 KHz.
Gracias a este tipo de programación ahora se podrá controlar cualquier dispositivo con los tiempos necesarios para obtener su funcionamiento adecuado
Mediante la transformación de señales analógicas a una señal digital se logra conectar el PIC a unidades de la vida real como son temperatura, presión, etc.
En las entradas analógicas solo pueden medir hasta un voltaje menor o igual al voltaje de alimentación del PIC.
6. RECOMENDACIONES
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Se recomienda que al momento de realizar las simulaciones en el programa Proteus modificar también la frecuencia del pic 18f4550 para obtener la señal que se desea.
Para el uso de pulsadores para tener una onda variable se recomienda usar una función de anti rebote.
Realizar una lectura comprensiva al documento facilitado por el ingeniero para realizar una correcta programación.
Introducir bien los comandos de programación para garantizar que el programa realice las funciones deseadas.
7. BIBLIOGRAFÍA
Rober, C. (2013). Diseño y Construcción de un Módulo Didáctico de un Conversor AC/DC - DC/AC con control PWM, para puente completo utilizando IGBT s destinado al laboratorio de control Eléctrico de la ESPE Extensión Latacunga. Latacunga.
́
Tutoriales PIC . (27 de junio de 2012). Obtenido de Tutoriales PIC: http://picfernalia.blogspot.com/2012/06/modulacion-pwm-pulse-widthmodulation.html
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8. Anexos. Bibliografía 1
Bibliografía 2
Bibliografía 3
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