Microcontrolador
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.
Algunos microcontroladores más especializados poseen además convertidores análogo 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 mensionar: 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.
Diferencia entre microcontrolador y microprocesador
Es muy habitual confundir los términos de microcontrolador y microprocesador, cayendo así en un error de cierta magnitud. Un microcontrolador es, como ya se ha comentado previamente, un sistema completo, con unas prestaciones limitadas que no pueden modificarse y que puede llevar a cabo las tareas para las que ha sido programado de forma autónoma. Un microprocesador, en cambio, es simplemente un componente que conforma el microcontrolador, que lleva a cabo ciertas tareas que analizaremos más adelante y que, en conjunto con otros componentes, forman un microcontrolador.
Debe quedar clara por tanto la diferencia entre microcontrolador y microprocesador: a modo de resumen, el primero es un sistema autónomo e independiente, mientras que el segundo es una parte, cabe decir que esencial, que forma parte de un sistema mayor.
Arquitectura interna de un microcontrolador
Como ya hemos visto, un microcontrolador es un dispositivo complejo, formado por otros más sencillos. A continuación se analizan los más importantes.
Procesador
Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones. Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann.
Esta última se caracterizaba porque la CPU se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses.
En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos.
El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción.
Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.
Memoria de programa
El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como éste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente.
Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes:
- ROM con máscara: se graba mediante el uso de máscaras. Sólo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste.
- EPROM: se graba eléctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseño, aunque su coste unitario es elevado.
- OTP: su proceso de grabación es similiar al anterior, pero éstas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idóneas para productos finales.
- EEPROM: también se graba eléctricamente, pero su borrado es mucho más sencillo, ya que también es eléctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de de escritura y su consumo es elevado.
- FLASH: se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones. De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores prácticamente iguales que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash. Se trata del PIC16C84 y el PIC16F84, respectivamente.
Memoria de datos
Los datos que manejas los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil.
Hay microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa. El PIC16F84 dispone de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos.
Líneas de E/S
A excepción de dos patitas destinadas a recibir la alimentación, otras dos para el cristal de cuarzo, que regula la frecuencia de trabajo, y una más para provocar el Reset, las restantes patitas de un microcontrolador sirven para soportar su comunicación con los periféricos externos que controla.
Las líneas de E/S que se adaptan con los periféricos manejan información en paralelo y se agrupan en conjuntos de ocho, que reciben el nombre de Puertas. Hay modelos con líneas que soportan la comunicación en serie; otros disponen de conjuntos de líneas que implementan puertas de comunicación para diversos protocolos, como el I2C, el USB, etc.
Recursos auxiliares
Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de microcontrolador, incorpora una diversidad de complementos que refuerzan la potencia y la flexibilidad del dispositivo. Entre los recursos más comunes se citan los siguientes:
- Circuito de reloj: se encarga de generar los impulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema. - Temporizadores, orientados a controlar tiempos. - Perro Guardián o WatchDog: se emplea para provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado. - Conversores AD y DA, para poder recibir y enviar señales analógicas. - Sistema de protección ante fallos de alimentación - Estados de reposos, gracias a los cuales el sistema queda congelado y el consumo de energía se reduce al mínimo.
Programación de microcontroladores
La utilización de los lenguajes más cercanos a la máquina (de bajo nivel) representan un considerable ahorro de código en la confección de los programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. Los programas bien realizados en lenguaje Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rápida.
Los lenguajes de alto nivel más empleados con microcontroladores son el C y el BASIC de los que existen varias empresas que comercializan versiones de compiladores e interpretes para diversas familias de microcontroladores. En el caso de los PIC es muy competitivo e interesante el compilador de C PCM de la empresa CCS y el PBASIC de microLab Engineerign, ambos comercializados en España por Mircosystems Engineering.
Hay versiones de interpretes de BASIC que permiten la ejecución del programa línea a línea, y en ocasiones, residen en la memoria del propio microcontrolador. Con ellos se puede escribir una parte del código, ejecutarlo y comprobar el resultado antes de proseguir.
MECANISMOS ELEMENTALES.
Acercarnos a las cosas al menos más elementales de otras disciplinas siempre nos vendrá bien, sobretodo a nosotros, que estamos metidos en el contexto de la ingeniería. A continuación os propongo un repaso a los mecanismos básicos.
TRANSMISIÓN POR POLEA.
El sistema más simple para la transmisión del movimiento es la polea. Ésta es básicamente un disco de material con un comportamiento plástico importante, y un acabado que le proporciona un elevado índice de rozamiento. La transmisión angular-lineal es, junto con la pié-suelo, el mecanismo de movimiento que mejor conocemos.
Si las partes han de estar alejadas se intercala entre ellas un sistema de correas. Existen muchas formas y variantes, cada una adecuada a la aplicación específica.
La correa más corriente y familiar porque la lleva el ventilador que nos suele dejar “tirados” con el coche, es la trapezoidal (figura central) ya que es resistente al tener buena sección, y su forma le ayuda a buscar automáticamente su ubicación en la polea.
Una variante con la que se elimina drásticamente el deslizamiento y que se emplea mucho en máquina herramienta para carpintería es la correa dentada.
Con un juego de `poleas y correas se puede construir un sistema de cambio de marchas muy económico. Este sistema lo tenemos en el taladro del laboratorio de electrónica analógica.
TRANSMISIÓN POR ENGRANE.
La fricción no es suficiente para garantizar la ausencia de deslizamiento entre las partes. La relación entre las vueltas que dan dos poleas de circunferencias l1 y l2 solo se aproxima a l2/l1, pues la deformación debida a la presión entre las poleas, el desgaste, los pequeños deslizamientos y otros imponderables provocan un cúmulo de errores que impiden que se pueda dar en la práctica una relación exacta. Dotando a cada polea de un número de muescas determinado la relación de vueltas queda controlada de forma absoluta porque solo habría lugar a deslizamiento en caso de rotura de algún diente. Nos encontramos con el principio del engranaje, que básicamente consta de dos engranes: La rueda motora y el piñón receptor.
Quizás el mecanismo de dientes más primitivo sea el de linterna. Consiste en un piñón en forma de jaula de ardilla, movido por un disco dotado de pivotes, y se empleaba en molinos y martillos pilones.
El mecanismo de empuje entre los dientes de un engrane es mucho más sutil de lo que a primera vista puede parecer. Éstos se mueven de manera que las superficies de los dientes en contacto ruedan una sobre la otra, sin fricción, lo que supone que el rozamiento es de rodadura, y por lo tanto aprovecha la energía al máximo.
En la figura se observa el esquema tipo de dos engranes acoplados. El detalle que tiene más importancia para nosotros es el de los puntos de contacto que, como se ve, cambian a lo largo de la trayectoria de las ruedas como corresponde a una rodadura.
Según lo expuesto, se deduce la importancia de que las tallas de los dientes de cada rueda sean coherentes. Si, por ejemplo, nos encontramos con que la profundidad de los dientes de un piñón de repuesto no es la misma que de los del original, no debemos sustituirlo sin más, aunque coincidan diámetro y número de dientes.
TIPOS DE ENGRANAJE.
Más bien por curiosidad, os presento los engranajes más típicos. En primer lugar, la más elemental, llamada talla recta.
Si el tallado es helicoidal el ángulo de presión aumenta considerablemente. Sin embargo el empuje tangencial entre los dientes crea una componente lateral.
Esta puede tener incluso interés cuando el afianzamiento entre la rueda dentada y el eje mejora. El dentado helicoidal neutraliza el empuje lateral si es doble.
La transmisión por husillo, llamada sinfín, se aplica cuando la relación de velocidades entre motor y piñón es grande.
Esta transmisión tiene mucho uso en robótica. Tiene un grave problema, y es que la rosca del tornillo sinfín fricciona inevitablemente con los dientes del engrane. Hacia 1.980 empezaron a aparecer en el mercado husillos a bolas, que consisten en un conjunto que aloja bolas de acero o nylon entre los filetes de la rosca y la rueda.
Si el acceso al exterior del eje es imposible, la transmisión también puede llevarse a cabo por el interior.
Y si se necesita cambiar el eje de rotación las tallas cónicas, recta e hipoidal son soluciones muy adoptadas.
Y por último, no podemos olvidar el sistema de conversión de movimiento angular a lineal. El piñón que se utiliza en este caso recibe el nombre de cremallera.
En la figura tenemos una transmisión de tornillo sinfín que se convierte en movimiento lateral. Su nombre popular es Cric.
TRANSMISIÓN POR CADENA.
Cuando rueda y piñón no pueden estar juntos se puede utilizar una conexión entre ellos inspirada exactamente en la misma idea que la transmisión por correa, pero manteniendo la pauta del dentado. El sistema plato-cadena-piñón de la bicicleta es uno de los más populares mecanismos de cadena. El nombre procede del primitivo conjunto construido con una rueda dentada y una verdadera cadena de eslabones.
La cadena que nosotros conocemos tiene un aspecto un poco diferente, pero conserva la estructura de eslabones, de ahí que no haya perdido el nombre.
Las piezas básicas de una cadena son los rodillos que hacen contacto con los dientes de la rueda y el piñón, y que tienen capacidad de rodar alrededor de unos manguitos para crear el mínimo rozamiento al mínimo. El conjunto se encuentra unido por medio de grapas y pasadores ranurados.
La cadena tiene una buena facilidad para adaptarse a la forma del medio, pero solo en un sentido.
La constitución de la cadena permite fabricar con ella piezas de mecanizado y corte, como motosierras, uno de cuyos eslabones se aprecia en la figura.
Su aplicación se extiende a ámbitos en donde se necesita una gran resistencia y flexibilidad.
TRANSMISIÓN CARDAN.
El origen de la palabra es francés. Es una transferencia de movimiento giratorio a eje partido, esto es, independiente del ángulo que forman el motor y el receptor.
Como podemos ver, al eje truncado se le ha dotado de dos juegos de giro, mediante una cruz, situados perpendicularmente entre sí. La prolongación de los dos semiejes y los situados en la cruz coinciden en un punto, lo que significa que, sea cual sea el ángulo que formen entre sí los ejes principales A y B, las dimensiones entre los puntos de sujeción permanecen iguales. El único acomodo que han de sufrir las piezas conectadas en los extremos de los ejes es el movimiento de rotación. Y esto es lo que ocurriría si el eje no estuviera truncado y fuera de una sola pieza.
Si nos fijamos en la caja del diferencial de los camiones, veremos que el acoplo entre el árbol motor y ésta lleva un cárdan. Existe también una llave para trabajos mecánicos para alcanzar sitios difíciles dotada con este juego.
TRANSMISIÓN DIFERENCIAL.
El nacimiento de la industria del automóvil elevó la transmisión diferencial a un alto grado de popularidad. Su necesidad obedece a una situación que se encuentran los vehículos automóviles de tracción por ruedas parejas en las curvas. Efectivamente, cuando se procede al giro, la rueda interior ha de recorrer menos camino que la exterior, y si las dos son solidarias y motrices, al menos una de ellas ha de patinar. Ya sabemos que el inicio de un deslizamiento descontrola el sistema. Los primeros coches, que no venían dotados de diferencial tenían un alto riesgo de vuelco. Un coche en el Scalextric con transmisión diferencial se haría el dueño de la pista.
A la vista de la figura no es difícil relacionar los radios de los diferentes puntos de la curva que va a afrontar el par de ruedas con la longitud que tienen que recorrer ambas, y la media, L0, por la que rodaría una hipotética rueda única si el vehículo fuera una bicicleta:
Es evidente que en el límite, cuando R1 es cero y por lo tanto la rueda interior ha de permanecer quieta, la exterior deberá girar el doble que si lo hicieran ambas en línea recta.
En los trenes el problema se resuelve teniendo en cuenta que los radios de giro nunca se diseñan muy pequeños. Así es posible compensar la diferencia tallando la base de las ruedas de forma trapezoidal, y dejando que la holgura con las vías junto con la fuerza centrífuga en las curvas haga el resto.
En un mecanismo como el de un coche en el que el conductor tiene libertad absoluta para elegir el radio de giro el sistema ha de ser más flexible. La figura ofrece un mecanismo diferencial básico.
En primer lugar tener en cuenta que todo el diferencial va encerrado en una caja que gira junto con los ejes que llevan las ruedas. La transmisión motriz se aplica por lo tanto a la caja del diferencial (eje procedente de la zona superior derecha en la figura). Ambos ejes están partidos, como en la transmisión cardan, y en sus extremos llevan engranes de talla cónica que debido al tipo de giro que sufren en el conjunto reciben el nombre de Planetarios. El nexo entre ambos planetarios corre a cargo de dos piñones locos (uno serviría, pero al haber movimiento de giro las fuerzas deben ir por pares) y también cónicos, a los que por la misma razón que a unos se les llama planetarios, se les ha bautizado con el nombre de Satélites. El funcionamiento del conjunto se intuye con relativa facilidad:
- - Mientras los dos ejes tengan la misma resistencia en sus extremos (ruedas en línea recta y piso llano) nada impide que planetarios y satélites giren juntos y al unísono como en una transmisión rígida.
- - Si uno de los ejes queda bloqueado, para que la caja y el planetario del otro sigan girando, los satélites han de rodar transfiriéndole el movimiento que no hace el que está quieto. Con este razonamiento podemos casi asegurar que la distancia recorrida por el planetario del eje libre será el doble que la normal, lo que guarda relación con los cálculos que acabamos de hacer.
- - Si el bloqueo de un eje es parcial, caso de una curva normal, la rueda que se ve ralentizada hace que la libre gire más rápida, y por lo tanto que el sistema se amolde automáticamente a las necesidades de la trayectoria.
El conocimiento del diferencial permite que nos expliquemos algunos incidentes típicos, como el bloqueo del coche en terreno irregular o resbaladizo. Bajo este punto de vista se hace evidente que con tracción en las cuatro ruedas es imposible que se inmovilice el vehículo, pues el apoyo mínimo sobre tres ruedas (tres puntos definen un plano) supone que, al menos una será capaz de ejercer tracción.
LEVAS.
La conversión del movimiento giratorio en lineal oscilatorio corre a cargo de los conjuntos leva-biela. La leva es en esencia una sección del elemento giratorio descentrada, que en su movimiento desplaza a la pieza objeto del movimiento lineal. El motor de un automóvil utiliza un juego de levas para controlar las válvulas de admisión y escape y ordenar la creación de la chispa para la combustión de los gases, todo de manera sincronizada.
En nuestro trabajo es a menudo necesario detectar la llegada de una parte de máquina hasta un punto, para lo cual empleamos el llamado Final de carrera, que se basa en el mismo concepto, muy simplificado.
CRUZ DE MALTA.
Es un dispositivo de transmisión que transforma el movimiento continuo en desplazamientos periódicos bruscos.
El volante que hace girar el motor, llamado disco de freno, dispone de una leva, que lleva un vástago. Una pieza en forma de cruz, de ahí el nombre que tiene nuestro artilugio, permanece durante la mayor parte del recorrido del volante bloqueada. Tan solo cuando la leva alcanza con el pivote a la hendidura de la cruz ésta se encuentra libre.
El avance del pivote en la ranura de la cruz, la arrastra haciendo que ésta gire hasta que, cuando vuelve a quedar libre por el vástago ha girado un cuarto de vuelta. Hasta casi el final de la nueva revolución el volante bloquea de nuevo a la cruz.
Su aplicación típica es el arrastre de la película en los proyectores de cine, en donde es necesario que el fotograma permanezca un tiempo quieto, y, que de forma súbita se vea desplazado por el siguiente.
La cruz de Malta es el símbolo que llevan en la insignia los operadores de cine.
EMBRAGUE.
A menudo la transmisión debe permitir desacoplar fácilmente los árboles motor y receptor total o parcialmente. El mecanismo que opera de esta forma tiene el nombre de Embrague, y tampoco es un desconocido porque está presente en los coches y motocicletas.
La figura de la izquierda pertenece a un embrague desconectado. Esta condición se conoce como de Desembrague. En la derecha la transmisión está embragada. En la figura siguiente observamos uno clásico perteneciente a un coche.
CONVERTIDOR DE PAR.
En maquinaria pesada y en los mecanismos para el cambio de marchas automático de los automóviles juega un papel importante el Convertidor de par. Éste es un artilugio hidráulico que combina el cambio de la relación par-velocidad con el embrague. Un estudio exhaustivo de él podría llevarnos tiempo y atención que aquí no podemos emplear. Sólo podemos decir que el clásico convertidor es una caja hermética llena de un líquido muy parecido al de frenos porque ha de ser muy incompresible, y que recibe a los ejes trasmisor y receptor. Cada árbol tiene acoplada una turbina llamadas Primaria y Secundaria, de alabes con efecto unidireccional (solo trabajan correctamente cuando giran en un sentido). Una tercera turbina, totalmente libre, hace de intermediaria del flujo de aceite que genera la primaria, de suerte que la secundaria, si está parada, queda sometida a un par doble que el que genera el árbol motor, y prácticamente al mismo si gira en sintonía con él.