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 CONTROLDEL ELEVADOR DE UN EDIFICIO DE 5 PLANTAS”

ELABORADO POR:

· Carlos Huber Castillo Vado 2007 – 21766· Manuel Isaac García Martínez 2007 – 22171· Aldert Ignacio Olivas Ortiz 2007 – 22161· Francisco Xavier Sevilla Rubí 2007 – 21835

DOCENTE:

· Ing. Marlo Robleto

GRUPO:

· 3T1 – Eo

Sábado 6 de Diciembre de 2009

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Dpto. Sistemas Digitales y Telecomunicaciones – Digital II 2

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



I. INTRODUCCION

Un ascensor es un sistema que permite trasladar ya sea personas o materiales adiferentes localidades de una estructura vertical, comúnmente los encontramos enedificios 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 quese disponen de dispositivos programables como los Microcontroladores, quepermiten reducir la cantidad de dispositivos electrónicos necesarios para undeterminado sistema.

Un microcontrolador es un sistema embebido que posee en su estructura internaun microprocesador (uP), memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de sololectura (ROM) que mediante su programación se utilizan para fines específicos.

El presente documento detalla el diseño y construcción del sistema de control deun ascensor de 5 pisos mediante el uso del microcontrolador PIC16F877A.



II. DESCRIPCION DEL PROYECTO

El elevador consta de 5 pulsadores de llamada que le permite al usuario decidir aqué piso acceder, tiene una pantalla de cristal liquido donde se muestra el pisoactual, el destino, la dirección de la cabina (hacia arriba o hacia abajo) y el restode procedimientos que realice el microcontrolador en cualquier momento, 5sensores ubicados en cada piso, que indicaran el piso actual en el que seencuentra la cabina.

El elemento principal del proyecto es el microcontrolador PIC16F877A que es undispositivo programable, nuestro proyecto se enfoco principalmente en laprogramación del mismo. Utilizamos motores paso a paso unipolares, una pantallade cristal líquido (LCD) y un Indicador Numérico.

El funcionamiento del proyecto es similar al de un elevador real, primeramente elelevador se encontrará en reposo en la planta baja con la puerta abierta, yesperará a que se ejecute una llamada desde un piso cualquiera, en ese momentoalmacenará las llamadas y procederá a moverse hasta llegar al destino, cuandocumpla con una llamada abrirá las puertas por un intervalo de tiempo y luego lascerrará disponiéndose para otro llamado o cumplir con los ya hechos. La pantallamostrará siempre el estado del elevador (subir, bajar, reposo) así como el piso enel que se encuentre (1ro, 2do, 3ro, 4to, 5to) y los destinos restantes.



III. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

· Diseñar el circuito electrónico de control de un ascensor de 5 pisos basadoen 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)



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 nospermitieron el almacenamiento del programa fuente, así como la cantidad depuertos que requería el circuito a implementar. El microcontrolador PIC16F877 deMicrochip pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus dedatos) que tiene las siguientes características generales:

· Arquitectura Harvard.· Tecnología CMOS

Estas características y otras indicadas en la hoja de datos del fabricante nosofrecen un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos yprograma y por lo tanto en la velocidad de ejecución.

Se utilizaron motores paso a paso unipolares con una secuencia de medio pasopara obtener una mayor precisión y un giro más suave. Una de las característicasde estos motores es la habilidad de poder quedar inmóviles y fijados en unaposición determinada si una de sus bobinas esta energizada. Con esta cualidadpodemos asegurar que la cabina no se moverá de un determinado piso siempreque el circuito este energizado. Esto nos ahorra el diseño de un sistema externode frenado y detenida del motor de cabina.



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 lageneral, 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 archivofuente y la simulación de circuito, esto se debe a que fueron necesarias variaspruebas 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 serprogramado en el microcontrolador, es el archivo donde se encuentra toda lalógica de control del ascensor. Este posee la extensión “.hex”.

Utilizamos el compilador básico de Mikroelectronica: MikroBasic paramicrocontroladores PIC de Microchip versión 7.0.0.2., que posee un lenguaje dealto nivel que nos facilita la creación del archivo o código fuente para luego sercompilado y obtener el archivo o código máquina (“.hex”) para ser grabado en elmicrocontrolador

Fue necesario dominar las reglas, instrucciones y librerías básicas de estelenguaje de programación, para ello utilizamos el archivo “Ayuda” del programa,documentos disponibles en la página web del fabricante, manuales y tutorialesencontrados en línea, así como páginas de foros con ejemplos sencillos parafamiliarizarnos con el Entorno de Desarrollo Integrado (IDE – IntegratedDevelopment Environment) de MikroBasic.

Desarrollamos el programa mediante la creación de módulos o librerías destinadasa una función específica, como resultado tenemos una estructura de programasencilla, organizada y fácil de interpretar.



Los módulos creados fueron los siguientes:

· Programa Principal (ASCENSOR_877A_FINAL)· Chequeo de Piso (CKPISO)· Chequeo de Llamada (CKLLAMADA)· Control de Puerta (CTRL_PUERTA)· Control de Motor Principal (MOTOR)· Envío a Planta (APLANTA)· Decisiones según posición de cabina (MOVER)· Control de Pantalla de Cristal Líquida (CTRL_LCD)· Control de Tiempos de Espera (ESPERA)

Es en esta etapa del proyecto donde se especifican las características deldispositivo, tipo de microcontrolador, frecuencia de operación, puertos utilizadoscomo 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 dondeeléctrica y físicamente se definen estas opciones.

SIMULACION DEL CIRCUITO

Es en la simulación del circuito donde se especificaron las conexiones eléctricasque se utilizaron, además de ser la herramienta rápida y eficaz para laobservación y luego depuración del archivo fuente, corregir errores y hacermejoras al diseño.

Utilizamos la Suite de Diseño de ISIS – Proteus 7 Professional versión 7.5 SP3para el desarrollo de la simulación por la facilidad que presenta en el manejo demicrocontroladores 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 seencarga de abrir y cerrar puerta (lógica positiva)

· Puerto B: Salida para el control de motor paso a paso unipolar que se encargade 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 lasinstrucciones de control del LCD.

· Puerto D: Entrada para los interruptores de llamado (lógica positiva).· Puerto E: Salida para el control del Indicador Numérico Hexadecimal.



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 simuladose observó el correcto funcionamiento del ascensor.



SEGUNDA ETAPA DEL PROYECTO

1. Programación del Microcontrolador2. Montaje en Tabla de Nodos

PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

Para llevar a la práctica el circuito simulado, es necesario programar elmicrocontrolador.

Utilizamos el SUPERPRO® Universal Programmer Model: 3000U fabricanteXELTEK®, para programar el archivo fuente al microcontrolador PIC16F877A. Eldispositivo dispone de su interfaz para realizar el proceso.

Los pasos fueron los siguientes:

1. Selección del dispositivo a programar, nuestro caso PIC16F877A2. Lectura del dispositivo3. 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 dispositivo6. 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 ellaboratorio.

Utilizamos los equipos disponibles como fuente de alimentación para obtener los5V necesarios por el microcontrolador, los indicadores visuales disponibles en latabla de nodos para verificar las secuencias enviadas para el giro requerido de losmotores paso a paso unipolares, y de los interruptores para simular los sensoresde piso.

Al final de esta etapa verificamos de nuevo el funcionamiento del circuito decontrol del ascensor.



TERCERA ETAPA DEL PROYECTO

1. Interfaz de Potencia2. Sensores de Piso

INTERFAZ DE POTENCIA

Se procedió a diseñar el circuito de accionamiento para los motores paso a pasounipolares, esto se debe a los requerimientos de corriente máxima que soportacada una de las salidas o entradas del microcontrolador, por tanto se utilizo unainterfaz de potencia.

Para el motor PAP de la puerta se utilizo un ULN2801A que es un arreglo de 8pares Darlington para amplificar corriente.

Para el motor PAP de la cabina se utilizaron cuatro MOSFET IRF620. Esquemaeléctrico en ANEXO

SENSORES DE PISO

Se utilizaron cinco Módulos de Interrupción Ópticos NTE3100, debido a que elsensor envía lógica positiva, fue necesario utilizar un inversor antes de cadaentrada hacia el microcontrolador.



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 CIRCUITBOARD)

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.



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 lalocalidad 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.



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



VI. RESULTADOS Y DISCUSIONES

En la segunda etapa del proyecto observamos que no se comportaba a comoesperamos, tuvimos problemas con las entradas de los sensores (en esa etaparealizadas con interruptores en tabla de nodos) esto se debía a que originalmenteel puerto utilizado de entrada de sensores de piso era con lógica positiva, es decir,únicamente el sensor que estuviera activado enviaría 5V hacia el pincorrespondiente del puerto, quedando los cuatro restantes en 0V, solucionamos elproblema mediante una inversión en el diseño, trasladamos el programa para esepuerto a lógica negativa, de esta manera solo el sensor activado tendrá 0V, losrestantes 5V.

Se utilizaron drivers para la amplificación de corriente, recurrimos al uso deMOSFET debido a sus características de baja corriente de entrada, por tantopueden ser activados directamente desde los pines de salida del microcontrolador.

Para el motor paso a paso unipolar aunque una secuencia de paso completoofrece mayor fuerza, su giro es mas brusco, lo que ofrece resistencia para subir obajar la cabina, por tanto se utilizo una secuencia de medio paso que brinda ungiro más suave. Fue necesario diseñar una fuente de alimentación externa queofrece 15 V para el motor PAP de Cabina. El resto del circuito funciona con unafuente de alimentación de 5V obtenida mediante el regulador 7805

Luego de todos los ajustes e inconvenientes encontrados en el montaje delproyecto, el sistema de control diseñado funciono correctamente, la estructuracreada respondió a como se esperaba. La cabina se movió de acuerdo a losllamados realizados y a la ubicación correspondiente de cada piso.



VII. CONCLUSIONES

Se logro crear el programa y el circuito de control de un ascensor de 5 pisosutilizando el microcontrolador PIC16F877A y su representación a pequeña escalacon una maqueta, demostrando la importancia de los dispositivos programables enla reducción del diseño con lógica tanto combinacional como secuencial.

El microcontrolador es un dispositivo versátil que se ve limitado únicamente por elusuario, ya que sus fines son inmensos. Es bastante práctico y resistente amanipulación pero sensible al ruido cuando se encuentra en funcionamiento, espor esto que se requiere garantizar correctamente los niveles lógicos utilizados, yasean 1 “o” 0 lógicos.

El diseño de sistemas digitales se ve reducido en su totalidad a la programacióndel dispositivo programable, por tanto el buen dominio de técnicas para la creaciónde algoritmos son recomendables ante cualquier diseño, para que una maquinapueda entender o realizar lo que un ser humano se plantee.

Nos familiarizamos con los circuitos externos de control o de conexión con losperiféricos, como los motores paso a paso, LCD, sensores fotoeléctricos y loscircuitos de interfaz entre el microcontrolador y los actuadores como son losmotores PAP

Se logro demostrar el funcionamiento del circuito de control mediante la maquetacreada que representa a un elevador, funciona lo más cercano a un elevador real,que puede ser utilizada para fines didácticos.



VIII. RECOMENDACIONES Y MEJORAS

1. Tener cuidado en la manipulación del microcontrolador cuando seencuentre energizado, y garantizar el cumplimiento de las característicaseléctricas.

2. Garantizar una fuente de alimentación estable, con un regulador discreto7805 y su correspondiente capacitor de filtro

3. En pruebas de laboratorio revisar exhaustivamente conexiones entre elMicrocontrolador y dispositivos externos, ya que puede existir unainterferencia que ocasione el mal funcionamiento del mismo.

4. Ubicar interruptores de llamado en cada piso, esto lo logramos con unaconexión en paralelo con los interruptores de llamada ubicados en la tarjetaprincipal.



IX. REFERENCIAS

· Usategui Ángulo, Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones2da 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 acceso5 de Noviembre 2009

http://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=13762.0



X. ANEXOS

DIAGRAMAS DE FLUJO

PROGRAMA PRINCIPAL



MODULO PARA CHEQUEO DE PISO

MODULO PARA CHEQUEAR LLAMADA



MODULO PARA CONTROL DE PUERTA



MODULO PARA CONTROL DE MOTOR





MODULO PARA ENVIAR ASCENSOR A PLANTA



MODULO PARA MOVER CABINA



CREACION DEL ARCHIVO FUENTE



ESQUEMA BASICO DEL CIRCUITO

`



PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

1. Selección de dispositivo

2. Verificación de Dispositivo

3. Lectura de Dispositivo



4. Blank_Check

5. Borrado del dispositivo

6. Carga del Archivo.hex



7 Opciones escritura

8. Programación del Archivo .Hex

9. Programación Exitosa



INTERFAZ DE POTENCIA



DISEÑO TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO (PCB – PRINTED CIRCUITBOARD)

TARJETA PRINCIPAL



TARJETA DE INTERFAZ DE POTENCIA



CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

SEPTIEMBREDomingo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado13 14 15 16 17

EntregaPropuestadeProyecto(1raRevisión)

18 19

20 21 22 23 24 25 26

27 28 29 30

OCTUBREDomingo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado

11ra Prueba(Simulación)PIC16F84

2 3

4 52da Prueba(Simulación)PIC16F870

61raPresentaciónde Avanceante Docente

7 8 9 10

11 12 13 143ra Prueba(Simulación)PIC16F877

15 16 17

18 19Obtenciónde MotorPAP yDriver

20 21 22 23 24

25 26 27Mejoras endiseño conPIC16F877

28 29 30 31



NOVIEMBREDomingo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado1 2 3 4 5 6

Montaje delCircuito(Laboratorio)

7Pruebas(Laboratorio)

8 9 10 11 12 13Pruebas(Laboratorio)

14ObtencióndeMaterialesparaMaqueta

15 16 17 18 19 20 21

22 23 24 25 26CreacióndeMaqueta

27 28

29 30

DICIEMBREDomingo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado

1 2 3 4 5DEFENSADEPROYECTO

6 7 8 9 10 11 12



FOTOS





















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