RESUMEN
En la actualidad es muy frecuente disponer de datos afectados por
errores de medición tanto instrumental como los generados por el
usuario. Es importante visualizar los errores y tratar de corregirlos ya
que dicha información nos indica el valor de las variables de proceso.
En la realización de este trabajo se tiene como objetivo minimizar
lo anterior y para esto, se diseña un sistema entrenador para el
microcontrolador 8031, el cual se aplica a un proceso de extrusión
para el procesamiento de plástico. Dicho entrenador posee las características
siguientes: control total del microcontrolador por el usuario, puertos
de entrada/salida accesados por memoria e interfase para comunicación
serial con la computadora. El sistema se valida realizando un análisis
de la influencia de las variables de procesamiento y el control de las
mismas con el entrenador en la estructura del plástico y la relación
con sus propiedades finales.
ABSTRACT
At present it is very frequent to have data affected by measurement
mistakes instrumental so much as the generated by the user. It is important
to visualize the mistakes and to try of amending them since such information
indicates us the value of the process variables. In the accomplishment
of this work has as objective to minimize the foregoing and for this, is
designed a training system for the microcontroller 8031, the one which
is applied to a process of extrusion for the processing of plastic. Said
training possesses the following characteristics: total control of the
microcontroller for the user, ports of input/output accessed by report
and interface for serial communication with the computer. The system is
validated accomplishing an analysis of the influence of the processing
variables and the control of the same with the trainer in the structure
of the plastic and the relationship to its final properties.
1.0 INTRODUCCIÓN
El desarrollo constante de la electrónica digital ha dado lugar a microcircuitos cada vez más densos en su nivel de integración; entre ellos, el microcontrolador. Este es un dispositivo que contiene los subsistemas básicos de un sistema con microprocesador como son; la unidad central de procesamiento, la memoria para almacenamiento de programas, la memoria para almacenamiento temporal de datos, los puertos de entrada/salida para el manejo de periféricos, contadores, temporizadores y sistemas de interrupciones [6].
Los microcontroladores se utilizan para resolver problemas en múltiples campos tales como; informática, electrodomésticos, industria automotriz, imagen y sonido, medicina, aplicaciones militares, industria manufacturera, equipos de regulación, automatismos y robótica [1] [4] [5]. En el estudio de los microcontroladores es necesario el uso de herramientas de apoyo, como son los simuladores y los entrenadores. El propósito principal de éste trabajo es el desarrollo de un entrenador para el microcontrolador 8031, este dispositivo presenta características muy útiles para aplicaciones de control [1], es fácil de usar, económico y disponible en el mercado. La aplicación se realizó en un proceso de extrusión de termoplásticos, se apreció la influencia del control de variables en las propiedades finales del articulo plástico, así como el control de funcionamiento del equipo digital.
2.0 EL MICROCONTROLADOR COMO ENTRENADOR
Un sistema entrenador se utiliza para experimentar y analizar, el comportamiento de un programa, con el fin de depurarlo y modificarlo hasta obtener el funcionamiento óptimo del programa. La ventaja que ofrece el entrenador es que los programas que se experimentan se ejecutan desde una RAM, se evita la necesidad de grabar los programas en memoria ROM, se ahorra la inherente pérdida de tiempo y dinero. Para operar el sistema entrenador éste consta de periféricos de entrada y salida como son: el teclado, la pantalla, los puertos de entrada/salida, los puertos para control de interrupciones y una interface de comunicación serial.
Para introducir los programas se utiliza el teclado ó la interfase de comunicación serial. Si se usa el teclado, los datos se introducen uno a uno, esta es la forma lenta, ya que el teclado se utiliza principalmente en operaciones de verificación y modificación. Si se utiliza la interfase de comunicación serial, se tiene la capacidad de recibir los programas desde la PC y de realizar la transmisión de programas relativamente grandes en unos cuantos segundos. Los puertos de entrada y salida se utilizan con el fin de establecer contacto a través de otros sistemas con el mundo real [3]. El puerto de control de interrupciones esta disponible para que los periféricos que se conectan al entrenador establezcan comunicación directa con el 8031. El funcionamiento del entrenador se basa en un programa monitor cuya función es proporcionar al usuario un conjunto de herramientas para ayudarle a desarrollar, depurar y ejecutar programas. El programa monitor y gestiona los recursos del sistema, elimina la implicación con manipulaciones repetitivas de segmentos de programa.
El entrenador realizado consiste de: El microcontrolador 8031; memoria del sistema (EEPROM); memoria para almacenamiento de datos (RAM); 8 displays de 7 segmentos; 2 puertos de salida de datos bidireccionales accesados por memoria; 2 puertos para entrada de datos bidireccionales, puerto para el control del microcontrolador e interfase para comunicación serial con la computadora.
El diseño del Software consiste en: almacenamiento de programas y/o datos en memoria RAM; verificación y modificación de localidades, ejecución de programas desde la RAM; programación de la RAM desde la PC; transmisión de datos del entrenador hacia la PC.
3.1 Unidad Central de Procesamiento Básica.
Con el objetivo de integrar el sistema entrenador ésta se diseño por partes, el entrenador completo esta constituido de la forma siguiente:
| a) Diseño de la CPU básica. |
| b) Diseño del modulo del teclado |
| c) Diseño del módulo de visualización |
| d) Diseño de puertos accesados por memoria |
| e) Diseño de la interfase serial. |
De acuerdo a las características del microcontrolador 8031 se dispone la terminal EA a tierra para que el acceso a memoria sea externo [6]. Por medio de los puertos de direcciones (P0 y P2), se multiplexea en el tiempo al puerto P0, bus de dirección y como bus de datos, para ello se almacena la dirección de P0 por medio de un Flip Flop de 8 bits. Para la compatibilidad de tiempos con las señales de control del microcontrolador se hace necesario interconectar la entrada de reloj FF-D con la señal ALE. Se dispone de una ROM que contiene el programa monitor y una RAM separadas con la técnica "mapa de memoria". Como señal de reloj se utiliza un cristal de 8 MHz conectándose a las terminales X1 y X2. Se conecta un módulo de RESET, se recurre a un circuito que permite su activación y desactivación [4]. El diagrama de conexiónes del CPU básico se muestra en la figura 3.1
3.1.2 Diseño del Teclado
Se requirió que la etapa del teclado constará de números hexadecimales y cuatro teclas de control. El módulo del teclado consta de un arreglo matricial con "push-botton" de 4x5 conectados a dos circuitos integrados (74LS373) de E/S. Este módulo está dentro de la zona "mapa de memoria", para separar estas señales se usan las terminales RD y WR, teniéndose además una línea codificadora de dirección la cual proviene del CPU. El funcionamiento consiste en la escritura de 0's lógicos en las columnas y en la exploración de las filas para la detección de alguna tecla presionada por lo que un FF-D es de salida y otro es de entrada. Se crearon subrutinas en lenguaje ensamblador para evitar rebotes de los contactos ó que una tecla presionada fuera leída varias veces al presionarse una sola vez. La figura 3.2 muestra el circuito utilizado en este módulo.
3.1.3 Diseño del Módulo de Visualización
El modulo de visualización lo usa el usuario para observar la información desplegada, esta subrutina del ensamblador le permite al microcontrolador tomar el menor tiempo posible de su atención para la transferencia de información.
Este módulo contiene un 74LS373 que sirve para aislar el bus de datos de la memoria, se eligió este microcircuito por contar con tercer estado lo cual permite conectarlo directamente a una memoria RAM ó permite el acceso al modulo del display. El cambio de acceso al bus de datos y al display se realiza mediante cuatro multiplexores, se modifica el acceso del bus de direcciones del CPU ó de un contador (74LS193) de cuatro bits para direccionar la memoria.
El acceso a los ocho displays se realiza a través de un 555, la salida es una frecuencia superior de 20 Hz para que se tenga la impresión de una imagen fija en la retina del ojo humano, el módulo se muestra en la figura 3.3.
3.1.4 Diseño de Puertos Accesados por Memoria
Para incrementar la potencialidad del sistema se añadieron puertos de ocho bits de entrada y salida accesados a memoria, dos de entrada y dos de salida, utilizándose para cada puerto un 74LS373. Se uso el bus de datos, las señales RD, WR y dos líneas codificadoras de dirección para establecer la interfaz de estos puertos con el 8031. Los puertos se encuentran decodificados en pares, una de entrada y uno de salida, con la misma línea decodificadora de dirección. Los puertos de entrada contienen resistencias "pull-up" en sus entradas. El programa monitor cuenta con subrutinas para accesar a estos puertos en forma independiente; las rutinas se encargan de direccionar el puerto y realizar la acción indicada en forma transparente al usuario. En la figura 3.4 se muestra el circuito utilizado en estos puertos.
3.1.5 Diseño de la Interfase Serial
Debido a que el puerto serial de la computadora utiliza la norma RS-232, los voltajes de salida fluctúan desde 3.0 Volts hasta 15.0 Volts para un "0" lógico y desde -3.0 Volts hasta -15 Volts para "1" lógico, se tiene la necesidad de convertir estos voltajes a niveles TTL para que el 8031 los pueda detectar. Para esto se utilizan los microcircuitos MC1488 y MC1489. El MC1488 convierte un nivel de voltaje TTL a un nivel RS-232 y el MC1489 convierte un nivel RS-232 a un nivel TTL. La configuración utilizada se muestra en la figura 3.5, se conecta la entrada y la salida estos circuitos a las terminales de recepción y transmisión respectivamente. Además se utiliza un cable telefónico para conectar los dos puertos seriales, se usa un canal para recepción y otro para transmisión.
3.2 Diseño del Software del Sistema
El diseño del software consiste de un programa monitor. La función del programa monitor, es proporcionar al usuario un conjunto de herramientas para ayudarle a desarrollar, depurar, y ejecutar un programa [2]. Gestiona los recursos del sistema al eliminar manipulaciones repetitivas de código máquina. En forma particular el programa monitor incluye las funciones siguientes:
Almacenamiento de datos en RAM, verificación y modificación de localidades de memoria, ejecución de programas almacenados en RAM, programación desde la PC, y transferencia de datos del sistema hacia la PC.
El desarrollo del programa monitor, de algorítmos, y de diagramas de flujo se dividió en módulos, los cuales realizan funciones especificas, estos módulos fueron: módulo de inicialización, almacenamiento de datos, verificación ó modificación, ejecución de programas y módulo de habilitación ó deshabilitación de la comunicación serial.
3.3 Aplicación del Sistema para el Control de un Proceso de Extrusión.
Para ejemplificar la funcionalidad del sistema entrenador, se aplicó al control de un proceso de extrusión. Se tiene el control ON/OFF de 3 resistencias térmicas, en base a parámetros deseados que se indican por medio del teclado. Estos parámetros se modifican en tiempo real mientras se efectúa la extrusión; además se controla el encendido automático de un motor al darse las condiciones necesarias para el comienzo del proceso. El sistema monitorea el comportamiento de las temperaturas en tres zonas térmicas, visualiza en el display el comportamiento del proceso; se almacenan lecturas en memoria, se transfieren datos hacia la PC para su almacenamiento permanente y para efecto de graficación. Para acoplar el sistema entrenador al proceso de extrusión se implementaron módulos para adquisición de datos, encendido ó apagado de las resistencias térmicas y para el encendido ó apagado del motor.
4.0 RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Una vez concluida cada etapa del entrenador estas cumplieron con los objetivos planteados en el desarrollo inicial de ésta investigación:
Se logró obtener una herramienta de apoyo didáctico que se ve ampliada por la característica de poder establecer comunicación serial con una computadora personal a una velocidad de transmisión bastante aceptable, resaltando la función de programación desde la PC, con esto la programación se vuelve más rápida y fácil.
Es importante mencionar que la aplicación al proceso de extrusión de polímeros termoplásticos demuestra su versatilidad para usarse en control automático. Se comprobó, de acuerdo a un análisis costo/beneficios, que el entrenador resultó una excelente opción con un costo muy por debajo de otros equipos de control.
5.0 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Boletín AB4-4, Vacuum Furnances Technology Instrumentation, Honeywell 1970
[2] James W. Russell L. Pimmel. Sistemas Digitales Basados en Microprocesador. Mac Graw Hill 1983
[4] Microcontroller User’s Guide, Signetics 1989.
[5] Embedded Control Aplications Handbook, INTEL 1990
[6] Manuel Torres P. Microprocesadores y Microcontroladores Aplicados a la Ind., Paraninfo. 1991.
[7] Alejandro Vega Salinas. Manual del Microcontrolador 8051, CINVESTAV IPN. 1993.