Proyecto - Dimmer Digital con microcontrolador PIC

7/23/2019 Proyecto - Dimmer Digital con microcontrolador PIC

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Dimmer Digital Con ControlDimmer Digital Con Control

RemotoRemoto

Autor: Rubn Santa Anna Zamudio

Fecha: 20/07/08

Versin del documento: 1.0


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Tabla de Contenidos

Introduccin...............................................................................................................................5Objetivos....................................................................................................................................5Descripcin General del Proyecto..........................................................................................5Desarrollo Terico.....................................................................................................................6

Control de fase........................................................................................................................6El protocolo de comunicacin SIRC.......................................................................................6Diseo de la fuente capacitiva................................................................................................7El triac.....................................................................................................................................7Microcontrolador PIC12F........................................................................................................7

Desarrollo del Software............................................................................................................8Algoritmo de recepcin...........................................................................................................8Deteccin de cruce por cero...................................................................................................8Funcionamiento del Software (Versin 1.5.050708)..............................................................8

Construyendo el dimmer..........................................................................................................9Recomendaciones..................................................................................................................9

Lista de Materiales..................................................................................................................9Formas de onda......................................................................................................................10

AC y deteccin de cruce por cero........................................................................................10Salida del receptor IR...........................................................................................................10Compuerta de Triac..............................................................................................................10

Apndice..................................................................................................................................11Diagrama Esquemtico.........................................................................................................11Tablas de direcciones/comandos *.......................................................................................12Diseo de circuito Impreso...................................................................................................12

Cara Superior.................................................................................................................................................................12Cara Inferior....................................................................................................................................................................12

Notas para el lector.................................................................................................................12Licencia....................................................................................................................................13Referencias..............................................................................................................................13


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Dimmer Digital para lamparas incandescentes

IntroduccinUn dimmer es un dispositivo que permite regular la

intensidad luminosa de una lampara (Ilustracin 1).Fundamentalmente se usan dimmers en lamparasincandescentes comunes, debido a que laimplementacin para este tipo de bombillas es la massencilla.

Anteriormente los dimmers eran resistenciasvariables, sin embargo, la disipacin de potencia era unalimitante grave para este tipo de circuitos. Hoy en da, losdispositivos semiconductores permiten realizar un controlpreciso de el voltaje y la corriente que se aplica a lacarga.

Una forma de controlar la corriente que se aplica alfilamento de la lampara es el control de fase (phasecontrol), que consiste en variar la cantidad de tiempo en

que se suministra corriente a la carga en cada hemiciclode la onda de corriente alterna. Podemos decir que estatcnica es similar a la modulacin por anchura de pulso.

Habitualmente en los dimmers, la conmutacin decorriente alterna se realiza utilizando un TRIAC, este esun dispositivo de tres terminales que funciona como unswitch bidireccional. Una corriente relativamentepequea en la terminal gate permite que el TRIAC pasede un estado de alta impedancia, a un estado deconduccin, permitiendo as que la corriente fluya hacia lacarga.

Objetivos Disear un receptor de Infrarrojos capaz deinterpretar los datos del protocolo SIRC de lafirma Sony.

Lograr un diseo compacto que permita serempotrado detrs de un interruptor de paredcomn.

Disear un circuito con partes de fciladquisicin.

Que el circuito opere tanto con lamparasincandescentes as como con las del tipofluorescente.

El circuito deber tener la capacidad deresponder a tres comandos: Subir Intensidad,Bajar Intensidad y Encendido/Apagado.

Memoria no voltil para almacenamiento delas teclas asociadas con las funciones antesmencionadas.

Compatibilidad con otros protocolosmediante cambio de firmware y/o sensor IR

Descripcin General delProyecto.

El circuito que pretendemos construir deber permitirel control de luminosidad de una lampara mediante uncontrol remoto infrarrojo comn. Para permitir larecepcin de la seal de infrarrojo proveniente del controlse ha elegido el circuito integrado TSOP1740 usado

comnmente en sistemas de control remoto y condeteccin de portadora de 40 Khz. Este contiene en suinterior la electrnica necesaria para realizar el procesode demodulacin de la seal de infrarrojo, entregando ensu salida una seal digital lista para ingresar almicrocontrolador.

El microcontrolador por su parte ser el encargado derealizar la mayora de las funciones crticas del circuito,entre ellas la decodificacin de las seales provenientesdel sensor de infrarrojo. Actualmente existen multitud deprotocolos de comunicacin usados en mandos adistancia, sin embargo para este proyecto nosapegaremos al estndar de Sony, el protocolo SIRC(Sony Infra Red Control) debido principalmente a su

sencillez.

Otra parte importante del circuito que hay quecomentar es el triac, este componente se encargar derealizar la conmutacin de la carga. Normalmente lostriacs requieren de una cantidad de corrienterelativamente grande en la compuerta para comenzar aconducir. Esto es un problema grave cuando el triac debeser gobernado por circuitos lgicos como es el caso que

18/05/08 - Tech Freaks Blog - http://tech-freaks.net - Pgina 5 de 14

Ilustracin 1: Dimmers Comerciales


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nos ocupa, ya que muchas veces estos dispositivos nopueden proveer mas que unos pocos miliamperios en sussalidas.

Anteriormente, los circuitos de disparo de triacs se

construan utilizando solamente componentes discretos,los cuales podan proveer altas corrientes de salida dehasta 100mA pico o ms. Por lo tanto los triacs norequeran compuertas sensibles. Hoy en da se siguenutilizando estos circuitos de disparo basados en diodosdiac, sin embargo los controles basados en circuitosintegrados dedicados o microcontroladores son cada vezmas utilizados.

Por ltimo comentaremos la seccin de la fuente dealimentacin que esta basada en componentes discretosy sin uso de transformador, lo cual permitir reducirconsiderablemente el circuito impreso. Adems comomedida de seguridad el circuito incluye un fusible queproteger el triac y la instalacin elctrica contra corto

circuito.

Desarrollo Terico.

Control de fase

El mtodo de control de fase o corte de fase esusado para controlar ya sea el voltaje, corriente opotencia entregada a una carga. Es en cierta formasimilar a la modulacin de anchura de pulso (en inglsPWM Pulse width modulation).

En la modulacin de anchura de pulso, la sealpermanece en alto un tiempo determinado del periodototal de la onda cuadrada. De forma anloga, en el controlde fase, un triac, SCR u otro dispositivo similar esencendido (disparado) durante un determinado tiempo deltotal del periodo de la onda de corriente alterna. Ver eldetalle en la Ilustracin 4.

La sincrona de los pulsos de control sobre el triac esimportante para lograr el recorte de fase. Es necesariodetectar cuando la onda sinusoidal de AC cruza por unpotencial de 0 volts, esto es, detectar cuando comienzaun nuevo hemiciclo y cuando se ha de enviar el pulso dedisparo a la compuerta deltriac.

Con el fin de reducir al

mximo el tamao delcircuito, solamente seutilizan dos resistenciasconectadas en serie conuno de los pines delmicrocontrolador, en estecaso, usamos el pin deinterrupcin externa (GP2).Las resistencias tienen

como nica funcin limitar la cantidad de corriente. Laparte importante, que nos permite conectar directamentelos 120 volts de la red elctrica a un pin delmicrocontrolador, es lo que se encuentra dentro delencapsulado.

Se trata de la proteccin contra descargaselectrostticas (ESD), la cual consta de dos diodosconectados de tal forma que limitan el voltaje a un rangocomprendido entre Vdd + 0.7 o Vss 0.7, lo anteriorpuede observarse con mayor detalle en la Ilustracin 3.

De esta forma el software en el microcontroladorpuede detectar a travs de la interrupcin por flancoascendente o descendente alternadamente los cruces porcero de la lnea de corriente alterna.

El protocolo de comunicacin SIRC

Como ya mencionamos en este proyecto haremosuso del protocolo de comunicacin SIRC, el cual utilizauna portadora de 40 Khz y una codificacin por longitudde pulsos. En este sistema de codificacin, el transmisorvaria la longitud del pulso dependiendo del valor binarioque se quiere transmitir, teniendo una longitud de 1.2 mspara un 1 lgico y un valor de 0.6 ms para un 0 lgico.Todos los pulsos estn separados entre si por un espaciode 0.6 ms. El ciclo de trabajo de la portadora es de o1/3.

En el protocolo SIRClos bits menossignificativos sontransmitidos primero, La

rfaga de IR al inicio delas tramas es de 2.4 ms,seguida de un espacioestndar de 0.6 ms.Adems de sealizar elcomienzo de un mensajeesta rfaga permite alreceptor ajustar su


Ilustracin 3: Estructura interna de los

pines del microcontrolador

Ilustracin 2: Transmisin del protocolo SIRC,observamos que el valor lgico transmitidodepende del ancho de los pulsos


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ganancia.

Despus de la condicin de inicio se transmite elcomando de 7 bits, seguido de la direccin del dispositivodestino (5 bits). Los comandos se repiten cada 45ms

(medidos desde la condicin de start hasta la condicinde start de la siguiente trama) mientras se mantengaoprimida la tecla.

En la Tabla 1 vemos un ejemplo de un comando delprotocolo SIRC, se trata del comando power de unatelevisin. En este caso se trata del protocolo de 12 bits,aunque existen el de 15 y 20 bits. Se puede usar estatabla como ejemplo para modificar las asignaciones de

botones en el cdigo fuente.

Direccin(01 decimal)

Comando(21 decimal)

0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1

0 9 5

Tabla 1: Ejemplo de una trama delprotocolo de 12 bits

En el apndice encontrar una tabla con msdirecciones y comandos del protocolo SIRC. De maneraque ser fcil cambiar las teclas asignadas para lasfuniones del dimmer.

Diseo de la fuente capacitiva.

Existen muchas formas de transformar una corrientealterna en directa, la manera habitual involucra untransformador y rectificadores. Sin embargo para circuitoscuyo consumo de corriente y tamao son mnimos, estasolucin no resulta conveniente.

La fuente capacitiva empleada en este montaje, tienecomo principal ventaja su reducido tamao, adems deun costo bajsimo. Sin embargo tambin tiene elinconveniente de no estar aislada de la red elctrica.

Analizando el diagrama esquemtico vemos que loscomponentes que determinan la cantidad de corrienteque puede entregar la fuente son la resistencia R1 y elcapacitor C1. Tambin influye la frecuencia de la red dedistribucin elctrica. La siguiente formula determina lacorriente de entrada de la fuente.

Ientrada=VrmsVzener

2 12 f CR1Dado el diseo del circuito la siguiente condicin

debe cumplirse para que el voltaje de salida se mantengaconstante.

Ientrada

Isalida

Por lo tanto usando la formula anterior podemosasumir un valor de 47 Ohms para la resistencia R1, queesta encargada de limitar la corriente al momento deconectar el circuito y calcular el valor de C1 paraproporcionar una corriente de alrededor de 20mA.

Manteniendo un valor de R1 bajo evitamos que disipemucha potencia, al mismo tiempo que protegemos elcapacitor de un aumento repentino en la corriente.

La potencia del zener debe ser adecuada parasoportar la corriente de entrada. El zener soportar unacorriente mayor cuando la fuente no tiene carga alguna

conectada a la salida.

El triac.

Los componentes como los microcontroladoresusualmente poseen una capacidad limitada para proveercorriente a travs de sus pines. Adems, en nuestrocircuito, la fuente de alimentacin tambin tiene unacorriente de salida bastante escasa, por esto debemosminimizar la corriente requerida para disparar el triac.

El triac usado en este circuito es un triac concompuerta sensible (sensitive gate). Este tipo de triacpermite que el disparo se efectu con una corriente decompuerta relativamente pequea. Para el TIC206D la

corriente requerida es de 5mA en la mayora de loscuadrantes, por lo que se encuentra dentro de los valoresque pueden proveer el microcontrolador y la fuentecapacitiva.

Microcontrolador PIC12F.

Debido al reducido tamao que pretendemos lograr


Ilustracin 4: Control de fase.


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utilizaremos un microcontrolador de la familiaPIC12FXXX, que se comercializa en encapsulados DIP ySOIC de 8 pines. Concretamente se trata del PIC12F683,aunque puede migrarse el software fcilmente a otromicro de la misma familia. La Ilustracin 5 muestra la

distribucin de los pines del microcontrolador y lasfunciones asociadas a cada uno de ellos.

Aunque el reducido nmero de pines plantea algunosproblemas de diseo debido a que algunos mdulos delPIC requeridos en el diseo comparten los mismospines, mas adelante veremos la forma de superar esteinconveniente.

Desarrollo del SoftwareEl firmware que controla este proyecto fue realizado

para el compilador PIC C de Custom Computer Services.Para mayor detalle puede referirse al archivo de cdigofuente. En este pueden encontrase comentarios en inglsque ayudan a comprender mejor el funcionamiento delsoftware, en esta seccin solo explicaremos algunas

partes crticas del programa.

Algoritmo de recepcin.

El algoritmo para decodificar los bits de la trama delprotocolo SIRC consiste bsicamente en medir la longitudde los bits (el tiempo entre flancos descendentes).

Para la recepcin del protocolo SIRC podramoshacer uso de el modulo Input Capture delmicrocontrolador PIC, sin embargo, en el PIC12F683,este perifrico comparte el PIN GP2 con la interrupcinexterna, la cual estamos usando para detectar los crucespor cero.

Por lo tanto usaremos la interrupcin por cambio deestado del pin GP1 y mediremos los tiempos entreinterrupciones que ocurren a causa de un flancodescendente. Despus se compara el tiempo de cada bitcon una constante y de esa forma saber si se hatransmitido un 1 lgico o un 0 lgico. Finalmente losalmacenaremos en una variable de 16 bits de longitud(long), suficiente para albergar las tramas de 12 o 15 bits.

Deteccin de cruce por cero.

Para detectar cuando la lnea de AC cruza por cerose ha usado solamente una resistencia en serie con el pinde interrupcin externa. Ya explicamos por que es posible

conectar al pin del microcontrolador un voltaje tan grandesin daarlo (ver control de fase). En el softwaresupondremos que tenemos una onda cuadrada en el pinde interrupcin externa, cada flanco de esta seal indicaal microcontrolador un cruce por cero.

Funcionamiento del Software (Versin1.5.050708)

Una vez que tengamos el micro montado en elcircuito, se pueden soldar varios cables provisionalmentepara proveer las seales de programacin almicrocontrolador (PGD, PGC, MCLR) y la alimentacin.Nunca intentes programar el micro con el circuito

conectado a la red elctrica.

Una vez realizada la programacin se puedeproceder a conectar el circuito a la red elctrica. Al haceresto, inmediatamente deberemos ver que el led flashearpidamente, indicando que se esta iniciando la ejecucindel programa.

A partir de este momento, el dimmer ya estafuncionando, esperando la interaccin del usuario.Existen dos formas de interactuar con el dimmer. Ya seamediante el control remoto o con el botn colocado en lapared. Si se pulsa el botn en la paredmomentneamente, actuar como lo hara un interruptorcomn encendiendo o apagando la lampara, excepto

cuando se tenga algn valor de luminosidad intermedio.En ese caso, se comportar de la siguiente forma: Si lalampara esta a mas de 50%, al presionar el boton seapagar por completo. Y si esta regulada a menos de50% presionar el botn causar que la lmpara vaya a lamxima luminosidad.

Si se deja presionado el botn (mas de 300 mS), eldimmer comenzar a variar la intensidad en toda la gamadisponible, detenindose al soltarlo. La lampara quedarregulada con la intensidad que tena al momento de soltarel botn.

En el control remoto se pueden usar las teclas devolumen (+/-) para controlar la intensidad de la luz,tambin se puede usar la tecla POWER para encender o

apagar la luz. La tecla POWER en el control remoto tieneel mismo efecto que una pulsacin breve en el botn dela pared.

En esta versin de software NO es posible asignarotras teclas para el control remoto. La nica forma decambiar las teclas es cambiando directamente laasignacin en el cdigo fuente, recompilando y grabandode nuevo el programa.


Ilustracin 5: Diagrama de los pines delmicrocontrolador


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Construyendo el dimmer.

Recomendaciones.

El circuito y el programa estn diseados para

funcionar con 120 V 60 Hz, en pases cuya frecuencia y/ovoltaje de la red elctrica son distintos es posible utilizarel circuito, sin embargo, este requerir cambios en elsoftware y en la fuente de alimentacin.

El protocolo SIRC especifica una portadora de 40Khz, sin embargo tambin he probado el receptorpanasonic PNA4602 (38 Khz) y al parecer funciona sininconvenientes.

En los pines designados como JP1 se conectar elinterruptor de pared, que debe ser tipo pulsadornormalmente abierto.

Los pines JP2 permitirn seleccionar el tipo delampara que tenemos conectada, ya sea fluorescente o

incandescente.

Lista de Materiales

Los materiales necesarios para la construccin delcircuito del dimmer se enlistan a continuacin:

Capacitores:

1 x 470 nF Poliester

1 x 470 uF Electroltico 16V

1 x 100nF Cermico 0805 SMD

Diodos:

2 x Diodo Rectificador 1N4007

1 x Diodo Zener de 5.1 Volts W

Resistencias:

1 x 47 Ohm 1 W

1 x 220 Ohms W

1 x 1 Kohm 0805 SMD

1 x 1 Mohm 0805 SMD

1 x 500 kohm 0805 SMD

Circuitos Integrados:

TSOP1740 (Panasonic PNA4602)

PIC16F88 (Versin 1.0 Debug)

PIC12F683 (Versin 1.5.050708)

Semiconductores de potencia:

TIC206D

Varios:

Fusible y portafusible para circuito impreso

Terminales con tornillos

Tira de pines

Placa de circuito impreso Soldadura y pasta


Atencin!

Tome en cuenta lo siguiente:

El circuito trabaja con voltajes que pueden llega a causar quemaduras, o lesiones

permanentes. Tome todas las medidas de seguridad para evitar riesgos de electrocucindurante las pruebas y armado del prototipo.

La masa del circuito NO esta aislada de la red elctrica. Desconecte el circuito de la redelctrica antes de intentar grabar el microcontrolador. Nunca conecte el circuito a unacomputadora o a cualquier otro dispositivo mientras este conectado a la red elctrica.

Ilustracin 6: Materiales a utilizar para laconstruccin de este proyecto


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Formas de onda.AC y deteccin de cruce por cero.

En esta ilustracin se observa una onda sinusoidal de22 volts pico a pico aplicada en el resistor de 2 Mohms enserie con el pin del microcontrolador PIC. En azul

observamos la seal que ve el microcontrolador PIC, yarecortada por los diodos de proteccin ESD.

Salida del receptor IR

En esta captura observamos el principio de unatrama de un control remoto SIRC, vemos el bit de startque tiene una duracin total de aproximadamente 3mS.Tambin se observa la codificacin por ancho de pulso(pulse widht encoding).

Compuerta de Triac.

En esta ilustracin se aprecian los pulsos de disparoque sern aplicados a la compuerta del triac.



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Apndice.

Diagrama Esquemtico.

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Tablas de direcciones/comandos *.

Address Device1 TV

2 VCR 1

3 VCR 2

6 Laser Disc Unit

12 Surround Sound

16 Cassette deck / Tuner

17 CD Player

18 Equalizer

Command Function

0 Digit key 11 Digit key 2

2 Digit key 3

3 Digit key 4

4 Digit key 5

5 Digit key 6

6 Digit key 7

7 Digit key 8

8 Digit key 9

9 Digit key 0

16 Channel +

17 Channel -18 Volume +

19 Volume -

20 Mute

21 Power

22 Reset

23 Audio Mode

24 Contrast +

25 Contrast -

26 Colour +

27 Colour -

30 Brightness +

31 Brightness -

38 Balance Left

39 Balance Right

47 Standby

* Ver referencias.

Diseo de circuito Impreso.

Las siguientes imgenes son de utilidad al momentode soldar los componentes en la placa.

Cara Superior

Cara Inferior

Notas para el lector.El articulo aqu presente se publica principalmente

con fines educativos, NO CON FINES COMERCIALES.por lo tanto no soy responsable de la veracidad de lainformacin aqu expuesta, sin embargo he tratado de serlo mas riguroso posible.

No hay ninguna garanta ni soporte de lo que se

expone en este documento, ni asumo ningunaresponsabilidad por daos producidos por un usoincorrecto de la informacin.

Para cualquier sugerencia para mejorar el texto, elcircuito o el software hzmela llegar a la siguientedireccin de correo electrnico:[email protected]

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Referencias.Algunos de los siguientes enlaces contienen

informacin ampliada sobre el los temas de este proyecto

o fueron utilizadas como fuente de informacin.http://www.micropic.es/

http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/sirc.htm

http://es.wikipedia.org

Las siguientes hojas de datos fueron tomadas comoreferencia para el desarrollo de este proyecto o fueronutilizadas para tomar informacin o grficos relevantes:

PIC12F683

PIC16F88

TSOP1740

PNA4622M

TIC206D

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/mxhttp://www.micropic.es/http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/sirc.htmhttp://es.wikipedia.org/http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/mxhttp://www.micropic.es/http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/sirc.htmhttp://es.wikipedia.org/


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