Uso del microcontrolador PIC16F877A para el control del elevador de un edificio de 5 plantas.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE ELECTROTECNIA Y COMPUTACIÓN DEPARTAMENTO DE SISTEMAS DIGITALES MANAGUA, NICARAGUA

ELECTRÓNICA DIGITAL II PROYECTO DE FIN DE CURSO

“USO DEL MICROCONTROLADOR PIC16F877A PARA EL CONTROL DEL ELEVADOR DE UN EDIFICIO DE 5 PLANTAS”

ELABORADO POR:

· · · ·

Carlos Huber Castillo Vado Manuel Isaac García Martínez Aldert Ignacio Olivas Ortiz Francisco Xavier Sevilla Rubí

2007 – 21766 2007 – 22171 2007 – 22161 2007 – 21835

DOCENTE: ·

Ing. Marlo Robleto

GRUPO: ·

3T1 – Eo

Sábado 6 de Diciembre de 2009

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

INDICE

· · · ·

· · · · · ·

INTRODUCCION…………………………………………………………… 3 DESCRIPCION DEL PROYECTO……………………………………….. 4 OBJETIVOS……………………………………………………………....... 5 MATERIALES Y METODOS………………………………………………. 6 o PRIMERA ETAPA DEL PROYECTO § Diseño en Diagramas de Flujo………………………… 7 § Creación del Archivo Fuente…………………………… 7 § Simulación del Circuito…………………………………… 9 o SEGUNDA ETAPA DEL PROYECTO § Programación del Microcontrolador…………………… 10 § Montaje en Tabla de Nodos……………………………… 10 o TERCERA ETAPA DEL PROYECTO § Interfaz de Potencia……………………………………… 11 § Sensores de Piso………………………………………… 11 o CUARTA ETAPA DEL PROYECTO § Diseño Tarjeta de Circuito Impreso (PCB – Printed Circuit Board)………………………………………………………… 12 § Creación de Tarjeta………………………………………… 12 o QUINTA ETAPA DEL PROYECTO § Creación de Maqueta………………………………………. 13 LISTADO DE COMPONENTES…………………………………………… 14 RESULTADOS Y DISCUSIONES…………………………………………. 15 CONCLUSIONES……………………………………………………………. 16 RECOMENDACIONES Y MEJORAS……………………………………… 17 REFERENCIAS……………………………………………………………… 18 ANEXOS……………………………………………………………………… 19

Dpto. Sistemas Digitales y Telecomunicaciones – Digital II

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I.

INTRODUCCION

Un ascensor es un sistema que permite trasladar ya sea personas o materiales a diferentes localidades de una estructura vertical, comúnmente los encontramos en edificios con varios niveles para facilitar el acceso a cada uno de ellos. En la actualidad el diseño digital se ha enfocado a la programación debido a que se disponen de dispositivos programables como los Microcontroladores, que permiten reducir la cantidad de dispositivos electrónicos necesarios para un determinado sistema. Un microcontrolador es un sistema embebido que posee en su estructura interna un microprocesador (uP), memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM) que mediante su programación se utilizan para fines específicos. El presente documento detalla el diseño y construcción del sistema de control de un ascensor de 5 pisos mediante el uso del microcontrolador PIC16F877A.


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II.

DESCRIPCION DEL PROYECTO

El elevador consta de 5 pulsadores de llamada que le permite al usuario decidir a qué piso acceder, tiene una pantalla de cristal liquido donde se muestra el piso actual, el destino, la dirección de la cabina (hacia arriba o hacia abajo) y el resto de procedimientos que realice el microcontrolador en cualquier momento, 5 sensores ubicados en cada piso, que indicaran el piso actual en el que se encuentra la cabina. El elemento principal del proyecto es el microcontrolador PIC16F877A que es un dispositivo programable, nuestro proyecto se enfoco principalmente en la programación del mismo. Utilizamos motores paso a paso unipolares, una pantalla de cristal líquido (LCD) y un Indicador Numérico. El funcionamiento del proyecto es similar al de un elevador real, primeramente el elevador se encontrará en reposo en la planta baja con la puerta abierta, y esperará a que se ejecute una llamada desde un piso cualquiera, en ese momento almacenará las llamadas y procederá a moverse hasta llegar al destino, cuando cumpla con una llamada abrirá las puertas por un intervalo de tiempo y luego las cerrará disponiéndose para otro llamado o cumplir con los ya hechos. La pantalla mostrará siempre el estado del elevador (subir, bajar, reposo) así como el piso en el que se encuentre (1ro, 2do, 3ro, 4to, 5to) y los destinos restantes.


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III.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL ·

Diseñar el circuito electrónico de control de un ascensor de 5 pisos basado en el microcontrolador PIC16F877A.

OBJETIVOS ESPECIFICOS · · · ·

Crear el programa que gobierne el funcionamiento del microcontrolador. Crear el circuito electrónico del sistema de control. Presentar el diseño con una representación a pequeña escala del sistema. Familiarizarnos con los Motores Paso a Paso Unipolares, y el uso de Pantalla de Cristal Liquida (LCD – Liquid Crystal Display)


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IV.

MATERIALES Y METODOS

Los elementos principales del proyecto son: · · · · ·

Dispositivo Programable. Microcontrolador PIC16F877A Motores paso a paso unipolares Sensores ópticos. Pantalla de Cristal Liquida (LCD – Liquid Crystal Display) Accionamiento de motores paso a paso unipolares

Se escogió el PIC16F877A por sus características de memoria que nos permitieron el almacenamiento del programa fuente, así como la cantidad de puertos que requería el circuito a implementar. El microcontrolador PIC16F877 de Microchip pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tiene las siguientes características generales: · ·

Arquitectura Harvard. Tecnología CMOS

Estas características y otras indicadas en la hoja de datos del fabricante nos ofrecen un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución. Se utilizaron motores paso a paso unipolares con una secuencia de medio paso para obtener una mayor precisión y un giro más suave. Una de las características de estos motores es la habilidad de poder quedar inmóviles y fijados en una posición determinada si una de sus bobinas esta energizada. Con esta cualidad podemos asegurar que la cabina no se moverá de un determinado piso siempre que el circuito este energizado. Esto nos ahorra el diseño de un sistema externo de frenado y detenida del motor de cabina.


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PRIMERA ETAPA DEL PROYECTO 1. Diseño en Diagramas de Flujo. 2. Creación del Archivo Fuente. 3. Simulación del Circuito. DISEÑO DE DIAGRAMAS DE FLUJO El diseño del programa de control del ascensor lo llevamos de lo específico a la general, es decir, se empezó con el diseño del control de los motores paso a paso, luego el control de ambos motores y así sucesivamente. Los diagramas de flujo se obtuvieron en conjunto con la creación del archivo fuente y la simulación de circuito, esto se debe a que fueron necesarias varias pruebas de simulación hasta obtener el resultado deseado. Los diagramas de flujo finales se muestran en el ANEXO

CREACION DEL ARCHIVO FUENTE El archivo fuente se compila y crea el código máquina que necesita ser programado en el microcontrolador, es el archivo donde se encuentra toda la lógica de control del ascensor. Este posee la extensión “.hex”. Utilizamos el compilador básico de Mikroelectronica: MikroBasic para microcontroladores PIC de Microchip versión 7.0.0.2., que posee un lenguaje de alto nivel que nos facilita la creación del archivo o código fuente para luego ser compilado y obtener el archivo o código máquina (“.hex”) para ser grabado en el microcontrolador Fue necesario dominar las reglas, instrucciones y librerías básicas de este lenguaje de programación, para ello utilizamos el archivo “Ayuda” del programa, documentos disponibles en la página web del fabricante, manuales y tutoriales encontrados en línea, así como páginas de foros con ejemplos sencillos para familiarizarnos con el Entorno de Desarrollo Integrado (IDE – Integrated Development Environment) de MikroBasic. Desarrollamos el programa mediante la creación de módulos o librerías destinadas a una función específica, como resultado tenemos una estructura de programa sencilla, organizada y fácil de interpretar.


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Los módulos creados fueron los siguientes: · · · · · · · · ·

Programa Principal Chequeo de Piso Chequeo de Llamada Control de Puerta Control de Motor Principal Envío a Planta Decisiones según posición de cabina Control de Pantalla de Cristal Líquida Control de Tiempos de Espera

(ASCENSOR_877A_FINAL) (CKPISO) (CKLLAMADA) (CTRL_PUERTA) (MOTOR) (APLANTA) (MOVER) (CTRL_LCD) (ESPERA)

Es en esta etapa del proyecto donde se especifican las características del dispositivo, tipo de microcontrolador, frecuencia de operación, puertos utilizados como entrada, puertos utilizados como salida, puertos para control de LCD, puertos para indicador numérico, lógica utilizada (lógica positiva o lógica negativa), es por esto que se necesitó llevar a cabo la simulación del circuito, en donde eléctrica y físicamente se definen estas opciones.

SIMULACION DEL CIRCUITO Es en la simulación del circuito donde se especificaron las conexiones eléctricas que se utilizaron, además de ser la herramienta rápida y eficaz para la observación y luego depuración del archivo fuente, corregir errores y hacer mejoras al diseño. Utilizamos la Suite de Diseño de ISIS – Proteus 7 Professional versión 7.5 SP3 para el desarrollo de la simulación por la facilidad que presenta en el manejo de microcontroladores de la familia PIC. Las características principales de conexión son las siguientes: · · · · ·

Puerto A: Salida para el control de motor paso a paso unipolar que se encarga de abrir y cerrar puerta (lógica positiva) Puerto B: Salida para el control de motor paso a paso unipolar que se encarga de subir y bajar la cabina y como salida de datos hacia el LCD. (lógica positiva) Puerto C: Entrada de los sensores de piso (lógica negativa) y salida para las instrucciones de control del LCD. Puerto D: Entrada para los interruptores de llamado (lógica positiva). Puerto E: Salida para el control del Indicador Numérico Hexadecimal.


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El esquema final se encuentra en ANEXO Se trabajo con una señal de reloj de 4MHz obtenida del cristal de cuarzo. Aquí se culminó la primera etapa del desarrollo del proyecto, en donde simulado se observó el correcto funcionamiento del ascensor.


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SEGUNDA ETAPA DEL PROYECTO 1. Programación del Microcontrolador 2. Montaje en Tabla de Nodos

PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR Para llevar a la práctica el circuito simulado, es necesario programar el microcontrolador. Utilizamos el SUPERPRO® Universal Programmer Model: 3000U fabricante XELTEK®, para programar el archivo fuente al microcontrolador PIC16F877A. El dispositivo dispone de su interfaz para realizar el proceso. Los pasos fueron los siguientes: 1. Selección del dispositivo a programar, nuestro caso PIC16F877A 2. Lectura del dispositivo 3. Chequeo si el dispositivo se encuentra libre de programación “Blank_Check”. 4. Borrado de cualquier programa en el dispositivo, resultado del paso anterior “Error” 5. Carga del archivo “.hex” a ser grabado en el dispositivo 6. Programación del dispositivo. Imágenes del proceso de programación se encuentran en el ANEXO

MONTAJE EN TABLA DE NODOS Una vez que se verifico el funcionamiento del circuito en la etapa de simulación, procedimos a montarlo en tabla de nodos y comprobar su funcionamiento en el laboratorio. Utilizamos los equipos disponibles como fuente de alimentación para obtener los 5V necesarios por el microcontrolador, los indicadores visuales disponibles en la tabla de nodos para verificar las secuencias enviadas para el giro requerido de los motores paso a paso unipolares, y de los interruptores para simular los sensores de piso. Al final de esta etapa verificamos de nuevo el funcionamiento del circuito de control del ascensor.


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TERCERA ETAPA DEL PROYECTO 1. Interfaz de Potencia 2. Sensores de Piso

INTERFAZ DE POTENCIA Se procedió a diseñar el circuito de accionamiento para los motores paso a paso unipolares, esto se debe a los requerimientos de corriente máxima que soporta cada una de las salidas o entradas del microcontrolador, por tanto se utilizo una interfaz de potencia. Para el motor PAP de la puerta se utilizo un ULN2801A que es un arreglo de 8 pares Darlington para amplificar corriente. Para el motor PAP de la cabina se utilizaron cuatro MOSFET IRF620. Esquema eléctrico en ANEXO

SENSORES DE PISO Se utilizaron cinco Módulos de Interrupción Ópticos NTE3100, debido a que el sensor envía lógica positiva, fue necesario utilizar un inversor antes de cada entrada hacia el microcontrolador.


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CUARTA ETAPA DEL PROYECTO 1. Diseño Tarjeta de Circuito Impreso (PCB – Printed Circuit Board) a. Tarjeta Principal. b. Tarjeta de Sensores. c. Tarjeta de Interfaz de Potencia. d. Tarjeta de Fuente de Alimentación. 2. Creación de Tarjeta

DISEÑO TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO (PCB – PRINTED CIRCUIT BOARD) Utilizamos la Suite de Diseño de ARES – Proteus 7 Professional versión 7.5 SP3, y PCB Wizard – Professional Edition versión 3.50. Imágenes del circuito obtenidas en ANEXO

CREACION DE TARJETA La creación de la tarjeta fue siguiendo los siguiendo pasos: 1. Imprimimos el diseño en papel lustrillo. 2. Usamos una plancha casera para fijar el diseño mediante calor a la tarjeta virgen, parte de cobre frente a parte de tinta del papel impreso. 3. Se elimino el cobre no deseado de acuerdo a las pistas mediante el uso de una solución de Acido Nítrico con agua por aproximadamente dos minutos. 4. Se limpio la tarjeta. 5. Se perforaron los orificios necesarios. 6. Se procedió a soldar los componentes.


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QUINTA ETAPA DEL PROYECTO 1. Creación de Maqueta

CREACION DE MAQUETA. Creamos la maqueta con aluminio para el soporte de la estructura interna, forramos con cartón comprimido. Y montamos todos sobre una base de madera. Nuestra cabina es una bandeja de reproductor de DVD. Cada cierta altura están ubicadas las tarjetas de los sensores que determinan la localidad de cada piso. El motor de cabina se encuentra en la parte superior de la maqueta. El motor de puerta se encuentra dentro de la cabina.


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V.

LISTA DE COMPONENTES

TARJETA PRINCIPAL · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Microcontrolador PIC16F877A de Microchip Inversor 74LS04N Pantalla de Cristal Liquida (LCD) LCM-S01602DTR/M Indicador Numérico y Hexadecimal 5082-7340 de Hewlett-Packard Cristal de 4 MHz 2 capacitores de cerámica de 18pF 5 capacitores de cerámica de 100nF 13 resistores de 220Ω 10 resistores de 330Ω 5 resistores de 470Ω 1 resistores de 100Ω 1 resistores de 10kΩ 1 Potenciómetro de 5kΩ 1 diodo de propósito general 1N4007 6 interruptores push-button 18 diodos emisores de luz (LED) Base DIP-40 Base DIP-14 Base DIP-4

TARJETA DE INTERFAZ DE POTENCIA · · · ·

4 MOSFET canal N IRF620 Amplificador de corriente ULN2801A 4 resistores de 18KΩ Base DIP-18

TARJETA FUENTE DE ALIMENTACION · · · · · ·

Puente rectificador KBPC502A 50V 2ª Capacitor 3300μF 25V Regulador MC7805C Regulador LM317T Resistor de 150Ω Potenciómetro de 25kΩ


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VI.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

En la segunda etapa del proyecto observamos que no se comportaba a como esperamos, tuvimos problemas con las entradas de los sensores (en esa etapa realizadas con interruptores en tabla de nodos) esto se debía a que originalmente el puerto utilizado de entrada de sensores de piso era con lógica positiva, es decir, únicamente el sensor que estuviera activado enviaría 5V hacia el pin correspondiente del puerto, quedando los cuatro restantes en 0V, solucionamos el problema mediante una inversión en el diseño, trasladamos el programa para ese puerto a lógica negativa, de esta manera solo el sensor activado tendrá 0V, los restantes 5V. Se utilizaron drivers para la amplificación de corriente, recurrimos al uso de MOSFET debido a sus características de baja corriente de entrada, por tanto pueden ser activados directamente desde los pines de salida del microcontrolador. Para el motor paso a paso unipolar aunque una secuencia de paso completo ofrece mayor fuerza, su giro es mas brusco, lo que ofrece resistencia para subir o bajar la cabina, por tanto se utilizo una secuencia de medio paso que brinda un giro más suave. Fue necesario diseñar una fuente de alimentación externa que ofrece 15 V para el motor PAP de Cabina. El resto del circuito funciona con una fuente de alimentación de 5V obtenida mediante el regulador 7805 Luego de todos los ajustes e inconvenientes encontrados en el montaje del proyecto, el sistema de control diseñado funciono correctamente, la estructura creada respondió a como se esperaba. La cabina se movió de acuerdo a los llamados realizados y a la ubicación correspondiente de cada piso.


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VII.

CONCLUSIONES

Se logro crear el programa y el circuito de control de un ascensor de 5 pisos utilizando el microcontrolador PIC16F877A y su representación a pequeña escala con una maqueta, demostrando la importancia de los dispositivos programables en la reducción del diseño con lógica tanto combinacional como secuencial. El microcontrolador es un dispositivo versátil que se ve limitado únicamente por el usuario, ya que sus fines son inmensos. Es bastante práctico y resistente a manipulación pero sensible al ruido cuando se encuentra en funcionamiento, es por esto que se requiere garantizar correctamente los niveles lógicos utilizados, ya sean 1 “o” 0 lógicos. El diseño de sistemas digitales se ve reducido en su totalidad a la programación del dispositivo programable, por tanto el buen dominio de técnicas para la creación de algoritmos son recomendables ante cualquier diseño, para que una maquina pueda entender o realizar lo que un ser humano se plantee. Nos familiarizamos con los circuitos externos de control o de conexión con los periféricos, como los motores paso a paso, LCD, sensores fotoeléctricos y los circuitos de interfaz entre el microcontrolador y los actuadores como son los motores PAP Se logro demostrar el funcionamiento del circuito de control mediante la maqueta creada que representa a un elevador, funciona lo más cercano a un elevador real, que puede ser utilizada para fines didácticos.


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VIII.

RECOMENDACIONES Y MEJORAS

1. Tener cuidado en la manipulación del microcontrolador cuando se encuentre energizado, y garantizar el cumplimiento de las características eléctricas. 2. Garantizar una fuente de alimentación estable, con un regulador discreto 7805 y su correspondiente capacitor de filtro 3. En pruebas de laboratorio revisar exhaustivamente conexiones entre el Microcontrolador y dispositivos externos, ya que puede existir una interferencia que ocasione el mal funcionamiento del mismo. 4. Ubicar interruptores de llamado en cada piso, esto lo logramos con una conexión en paralelo con los interruptores de llamada ubicados en la tarjeta principal.


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IX.

· · ·

REFERENCIAS

Usategui Ángulo, Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones 2da parte. Hoja de Datos de los Fabricantes Microchip, Hewlett-Packard, Lumex, Signetic, SGS-THOMPSOM microelectronics, ST Electronics. Foro sobre MikroBasic y Proteus disponible en: http://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=13762.0 fecha de acceso 5 de Noviembre 2009


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X.

ANEXOS

DIAGRAMAS DE FLUJO

PROGRAMA PRINCIPAL


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MODULO PARA CHEQUEO DE PISO

MODULO PARA CHEQUEAR LLAMADA


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MODULO PARA CONTROL DE PUERTA


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MODULO PARA CONTROL DE MOTOR


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MODULO PARA ENVIAR ASCENSOR A PLANTA


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MODULO PARA MOVER CABINA


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CREACION DEL ARCHIVO FUENTE


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ESQUEMA BASICO DEL CIRCUITO

`


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PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

1. Selección de dispositivo

2. Verificación de Dispositivo

3. Lectura de Dispositivo


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4. Blank_Check

5. Borrado del dispositivo

6. Carga del Archivo .hex


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7 Opciones escritura

8. Programación del Archivo .Hex

9. Programación Exitosa


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INTERFAZ DE POTENCIA


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DISEÑO TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO (PCB – PRINTED CIRCUIT BOARD) TARJETA PRINCIPAL


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TARJETA DE INTERFAZ DE POTENCIA


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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Domingo 13

Lunes 14

Martes 15

SEPTIEMBRE Miércoles Jueves 16 17

20

21

22

23

27

28

29

30

Domingo

Lunes

Martes

4

5 2da Prueba (Simulación) PIC16F870

11

12

6 1ra Presentación de Avance ante Docente 13

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19 Obtención de Motor PAP y Driver 26

25

Entrega Propuesta de Proyecto (1ra Revisión) 24

OCTUBRE Miércoles

Viernes 18

Sábado 19

25

26

Jueves 1 1ra Prueba (Simulación) PIC16F84

Viernes 2

Sábado 3

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8

9

10

14 3ra Prueba (Simulación) PIC16F877

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24

27 Mejoras en diseño con PIC16F877

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Domingo 1

Lunes 2

Martes 3

NOVIEMBRE Miércoles Jueves 4 5

8

9

10

11

12

15

16

17

18

19

20

14 Obtención de Materiales para Maqueta 21

22

23

24

25

26 Creación de Maqueta

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30

Domingo

Lunes

Martes 1

DICIEMBRE Miércoles Jueves 2 3

Viernes 4

6

7

8

9

11


10

Viernes 6 Montaje del Circuito (Laboratorio) 13 Pruebas (Laboratorio)

Sábado 7 Pruebas (Laboratorio)

Sábado 5 DEFENSA DE PROYECTO 12

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FOTOS


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Uso del microcontrolador PIC16F877A para el control del elevador de un edificio de 5 plantas.

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