UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ
Facultad de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización
Ingeniería en Mecatrónica Área Automatización
CUBO DE LEDS
AVANCE DE TESIS III
Alumnos:
Irving Abel García Bernal
Roberto Castillejos Alarcón
Francisco Javier Aquino Castellanos
Soledad González Torres
Ángel Ariel Ramírez Velasco
Asesor: Alfonso García Sosa
Co-Asesor: Dr. Jorge Morales Cruz
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Resumen
En esta tesis se presentará el diseño y desarrollo de un cubo de leds, el cual
estará programado con distintas matrices realizará rutinas de encendido.
Este cubo de leds será interpretado como una matriz con el fin de programarla y
controlarla por medio de microcontroladores. Con el fin de que el proyecto sea
tomado como una de las tantas aplicaciones de los microcontroladores, utilizados
para la elaboración de sistemas de automatización.
El cubo de leds constará de tres partes, el armado de la estructura de leds, el
circuito de control y la programación de los microcontroladores. El esqueleto del
cubo el cual está elaborado con leds será la parte en la cual se visualizará la
secuencia de encendido y apagado de estos, de acuerdo a la programación
realizada en el microcontrolador. La parte de control está conformada por 9
microcontroladores (1 maestro, 8 esclavos), transistores, resistencias y cable
plano. Por último, la programación será la encargada de dar las instrucciones
descritas en el software de programación y de esta manera realizar la rutina de
encendido y apagado deseada.
En la actualidad las matrices de leds son usadas para probar y demostrar cada
una de las múltiples aplicaciones de los microcontroladores, por ejemplo, en Física
de partículas, son usados para probar e instrumentar sistemas de adquisición de
datos, sistemas de control, enlaces ópticos, etc. El uso de estos circuitos
integrados a causado que la tecnología haya avanzado más, ha contribuido a
mejoras en las empresas realizando mayor producción y además otorgando una
mejor exactitud en las operaciones que son realizadas por máquinas. También
estas realizan tareas peligrosas para prevenir heridas y/o muertes en el trabajo.
Permite al diseñador de sistemas de automatización una extensa variedad de
soluciones a los requerimientos solicitados por la empresa.
No existen muchos cubos de este tipo en el mercado, sin embargo hay
información detallada de su funcionamiento interno, esto se debe a su valor y el
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gran conocimiento que se puede obtener de ellos al aplicar la programación en los
microcontroladores, por estas razones en este trabajo describiremos el diseño y
desarrollo de cubo de leds.
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Índice
1. INTRODUCCIÓN......................................................................................................................4
2. OBJETIVOS..................................................................................................................................5
2.1. OBJETIVO GENERAL................................................................................................................5
2.2. OBJETIVOS PARTICULARES......................................................................................................5
3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES PARA CADA EVALUACIÓN.....................................................6
4. MARCO TEÓRICO.......................................................................................................................8
4.1 LEY DE COULOMB...................................................................................................................8
4.2 MICROCONTROLADORES.........................................................................................................9
4.3 LEY DE OHM...........................................................................................................................12
4.4 COMPILADOR MIKROC...........................................................................................................14
4.5 CONTROL...............................................................................................................................14
4.6 AUTOMATIZACIÓN.................................................................................................................15
5 DESARROLLO.............................................................................................................................16
5.1 ARMADO DEL CIRCUITO DE CONTROL....................................................................................16
5.2 ARMADO DEL CUBO DE LED´S................................................................................................18
6 RESULTADOS.................................................................................................................................20
6.1 LÓGICA DE PROGRAMACIÓN DEL CUBO DE LEDS.......................................................................20
6.2 SIMULACIÓN DEL CUBO.............................................................................................................20
6.3 CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DEL EFECTO 1..............................................................................21
7 CONCLUSIONES.........................................................................................................................22
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1. INTRODUCCIÓN
La utilización de microcontroladores para desarrollar e implementar sistemas de automatización es una alternativa atractiva, debido a, su gran difusión, aplicación, bajo costo, tener resuelto el proceso de creación y fabricación de distintos productos o servicios y la existencia de infinidad de herramientas de desarrollo y prueba.
Los microcontroladores, siendo un circuito integrado de gran aplicación, pueden ser ajustados a las necesidades requeridas, agregando arreglos en distintos circuitos electrónicos, acompañadas de software que permitan controlarlos. Un posible ejemplo, es la amplia variedad de sistemas y procesos que operan con una mínima o ninguna intervención del ser humano, es decir, que son operadas por máquinas para realizar funciones repetitivas y son programadas mediante computadoras.
La programación de μCs se basa en un código de máquina que es conocido como código ensamblador, este código contiene las instrucciones del programa, es minucioso, y tedioso de editar.
Hace algunos años realizar la programación de los microcontroladores se tornaba realmente complicado ya que el lenguaje de programación utilizado (ensamblador) crea códigos de programa extensos y de difícil comprensión.
La creación de compiladores de alto nivel facilitó la edición y creación de programas en todo modo de programación lógica, por supuesto los μC no fueron la excepción, comercialmente existen varios compiladores de diferentes fabricantes y diferentes lenguajes de alto nivel.
Si a esto agregamos que es posible adquirir compiladores como el PICC, CCS, PIC Basic, entre otros. El compilador MikroC PRO es un compilador en lenguaje C para microcontroladores PICMicro de la familia 12F, 16F, y 18F. MikroC PRO es un paquete de software con una amplia variedad de ayudas y herramientas que facilita la creación de proyectos y aplicaciones para los μCs PICMicro.
Considerando la importancia y los beneficios que proporciona un cubo de leds, se utilizara como una de las tantas aplicaciones de los microcontroladores, con la finalidad de mostrar la versatilidad, potencial para impulsar la investigación y generación tecnológica actual en México.
Algunas de las áreas en las cuales se puede aplicar este tipo de cubos de leds son: practicas académicas, demostraciones, etc. Por ejemplo, si tomamos el área industrial, podemos desarrollar sistemas y procesos que operan con una mínima o ninguna intervención del ser humano, es decir, que son operadas por máquinas para realizar funciones repetitivas y estas son programadas mediante computadoras.
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2. OBJETIVOS
A continuación se presenta el objetivo general y los objetivos particulares, los cuales necesariamente se tienen que alcanzar para poder concluir el proyecto.
2.1. OBJETIVO GENERAL.
Diseñar y elaborar una estructura de leds que permita comprender una de las múltiples aplicaciones de los microcontroladores dentro de un sistema de automatización, así como mostrar uno de los tantos proyectos que se pueden realizar dentro de la carrera de Mecatrónica área automatizada de la Universidad Tecnológica del Sureste de Veracruz.
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2.2. OBJETIVOS PARTICULARES.
1. Estudio acerca de los microcontroladores y software de programación.
2. Estudio del lenguaje de programación para la realización del programa.
3. Desarrollo de la estructura del cubo que permita la visualización de la rutina.
4. Desarrollo del diseño del circuito físico.
5. Desarrollar la programación del software que se grabara en el microcontrolador.
6. Integración y evaluación del prototipo.
7. Publicación de los resultados.
8. Escritura de la tesis.
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3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES PARA CADA EVALUACIÓN.
ACTIVIDAD TESIS I
TESIS II
TESIS III
Revisar información acerca de los microcontroladores y software de programación.
X
Estudiar el lenguaje de programación para realizar el software que será grabado al microcontrolador.
X
Desarrollar la estructura del cubo de leds que permita la visualización de la rutina.
X
Desarrollar el diseño del circuito físico. XDesarrollar la programación del software que se grabara en el microcontrolador.
X
Pruebas experimentales. XPublicación de resultados. XEscritura de tesis. X
Tabla 3.1. Cronograma de actividades generales.
Los avances propuestos para tesis 2 son los siguientes:
Objetivos específicos Porcentaje logrado
Porcentaje propuesto
Estudio acerca de los microcontroladores y software de programación.
100 100
Estudio del lenguaje de programación para realizar el software que será grabado al microcontrolador.
100 100
Desarrollo de la estructura del cubo de leds que permita la visualización de la rutina.
100 100
Desarrollo del diseño del circuito físico. 50 100Desarrollar la programación del software que se grabara en el microcontrolador.
90 100
Integración y evaluación del instrumento. 0 0Publicación de los resultados. 0 0
8
Escritura de la tesis. 70 75
4. MARCO TEÓRICO
Para poder llevar a cabo la realización del cubo de leds, es fundamental conocer
algunos conceptos básicos que influyen y que necesariamente se tiene que
considerar para lograr exitosamente la realización del proyecto. A continuación se
hace la descripción de estos conceptos.
4.1 LEY DE COULOMB.
El físico francés Charles Coulomb investigó en la década de 1780 la relación
cuantitativa de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados. Su ley la demostró
usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la
fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre
ellas.
Esta ley estableció nuevos principios eléctricos hallados por él. Su ley la formulo
tras efectuar algunos experimentos que se resumen a continuación.
Para esta ley usó pequeñas esferas con distintas cargas de las que no conocía la
carga exactamente, sino la relación de las cargas. Para su ley pensó
acertadamente que si una esfera conductora cargada se pone en contacto con
una idéntica sin carga, compartirían la carga por igual, por la simetría. Para su ley
con esto tenía la manera para producir cargas iguales a ½, ¼, etc., respecto a la
carga original. Manteniendo constante la separación entre las cargas, observó que
si la carga en una esfera se duplicaba, la fuerza se duplicaba; y si la carga en
ambas esferas se duplicaba, la fuerza aumentaba a cuatro veces su valor original.
Si variaba la distancia entre las cargas, encontró que la fuerza disminuía con el
cuadrado referido a la distancia entre ellas, esto es, si se duplicaba la distancia, la
fuerza bajaba a la cuarta parte en su valor original.
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Esta ley postula que la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estacionarias
es:
Inversamente proporcional al cuadrado aplicado a la separación r entre las
partículas y está dirigida a lo largo en la línea que las une.
Proporcional al producto en las cargas q1 y q2.
Atractiva si las cargas tienen signo opuesto y repulsivo si las cargas tienen
igual signo.
Esta ley también se expresa en forma de ecuación como:
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4.2 MICROCONTROLADORES
Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro
trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar
controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en
los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la
invasión acaba de comenzar y el siglo XXI será testigo de la conquista masiva de
estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos
que fabriquemos y usamos los humanos.
Un microcontrolador (μC) es un circuito integrado programable, capaz de
ejecutar las órdenes grabadas en su memoria.
Un μC incluye las tres principales unidades funcionales de una PC: CPU,
memorias y periféricos de E/S.
En su memoria sólo reside un programa que controla en funcionamiento de una
tarea determinada, sus líneas de entrada/salida se conectan a los sensores y
actuadores del dispositivo a controlar y, debido a su pequeño tamaño, suele ir
integrado en el propio dispositivo al que gobierna.
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Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:
Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso).
Memoria RAM para contener los datos.
Memoria para el programa tipo ROM/EPROM/EEPROM/Flash.
Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, puertos
serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores
Digital/Analógico, etc.).
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo
el sistema.
Características de los microcontroladores
El tamaño de los μCs es pequeño y consumen muy poca corriente, esto los
hace ideales para sistemas portátiles y autónomos.
Los μCs se usan extensivamente en robótica.
Existen μCs de 4, 8, 16, y 32 bits de ancho de palabra.
Por ejemplo, el control de un electrodoméstico sencillo como una batidora
utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bits) porque sustituirá a un
autómata finito.
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Aplicaciones de los microcontroladores
Si sólo se dispusiese de un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy
potenciados todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las
diferentes aplicaciones. Esta potenciación supondría en muchos casos un
despilfarro. En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado
número de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos.
Es posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S,
la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de funcionamiento,
etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la selección del
microcontrolador a utilizar.
Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de
aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su
fiabilidad y disminuir el consumo.
Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un
modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de
la masiva utilización de estos componentes.
Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas
presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas,
frigoríficos, televisores, ordenadores, impresoras, módems, el sistema de arranque
de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no
estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de
sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios
microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños
controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central,
probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus
acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.
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Los microcontroladores se encuentran por todas partes:
Sistemas de comunicación: en grandes automatismos como centrales y en
teléfonos fijos, móviles, fax, etc.
Electrodomésticos: lavadoras, hornos, frigoríficos, lavavajillas, batidoras,
televisores, vídeos, reproductores DVD, equipos de música, mandos a distancia,
consolas, etc.
Industria informática: Se encuentran en casi todos los periféricos; ratones,
teclados, impresoras, escáner, etc.
Automoción: climatización, seguridad, ABS, etc.
Industria: Autómatas, control de procesos, etc.
Sistemas de supervisión, vigilancia y alarma: ascensores, calefacción, aire
acondicionado, alarmas de incendio, robo, etc.
Otros: Instrumentación, electromedicina, tarjetas (smartcard), sistemas de
navegación, etc.
La distribución de las ventas según su aplicación es la siguiente:
Una tercera parte se absorbe en las aplicaciones relacionadas con los
ordenadores y sus periféricos.
La cuarta parte se utiliza en las aplicaciones de consumo
(electrodomésticos, juegos, TV, vídeo, etc.)
El 16% de las ventas mundiales se destinó al área de las comunicaciones.
Otro 16% fue empleado en aplicaciones industriales.
El resto de los microcontroladores vendidos en el mundo, aproximadamente
un 10% fueron adquiridos por las industrias de automoción.
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4.3 LEY DE OHM
La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simón Ohm,
es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada
a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico
como son:
1. Tensión o voltaje "E", en volt (V).
2. Intensidad de la corriente " I ", en ampere (A).
3. Resistencia "R" en ohm (Ω) de la carga o consumidor conectado al circuito.
Figura 4.3.1 Circuito eléctrico cerrado
Debido a la existencia de materiales que dificultan más que otros el paso de la
corriente eléctrica a través de los mismos, cuando el valor de su resistencia varía,
el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma
inversamente proporcional. Es decir, a medida que la resistencia aumenta la
corriente disminuye y, viceversa, cuando la resistencia al paso de la corriente
disminuye la corriente aumenta, siempre que para ambos casos el valor de la
tensión o voltaje se mantenga constante.
Por otro lado y de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión o voltaje es
directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje
aumenta o disminuye, el amperaje de la corriente que circula por el circuito
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aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la
resistencia conectada al circuito se mantenga constante.
Formulas de la Ley de Ohm
Se puede establecer una relación entre el voltaje de la batería,
el valor del resistor y la corriente que entrega la batería y que circula a través
del resistor.
Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el triángulo.
Figura 4.3.2. Triangulo de la Ley de Ohm
Se dan 3 Casos:
Con un valor de resistencia fijo: La corriente sigue al voltaje. Un incremento
del voltaje, significa un incremento en la corriente y un incremento en
la corriente significa un incremento en el voltaje.
Con el voltaje fijo: Un incremento en la corriente, causa una disminución en
la resistencia y un incremento en la resistencia causa una disminución en
la corriente.
Con la corriente fija: El voltaje sigue a la resistencia. Un incremento en la
resistencia, causa un incremento en el voltaje y un incremento en
el voltaje causa un incremento en la resistencia.
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4.4 COMPILADOR MIKROC
La programación de μCs se basa en un código de máquina que es conocido como
código ensamblador, este código contiene las instrucciones del programa, es
minucioso, y tedioso de editar. El ensamblador crea códigos de programa
extensos y de difícil comprensión. La creación de compiladores de alto nivel facilitó
la edición y creación de programas en todo modo de programación lógica, por
supuesto los μC no fueron la excepción, comercialmente existen varios
compiladores de diferentes fabricantes y diferentes lenguajes de alto nivel.
Es posible adquirir compiladores como el PICC, CCS, PIC Basic, entre otros.
MikroC PRO es un compilador en lenguaje C para microcontroladores PICMicro de
la familia 12F, 16F, y 18F. MikroC PRO es un paquete de software con una amplia
variedad de ayudas y herramientas que facilita la creación de proyectos y
aplicaciones para los μCs PICMicro.
Figura 4.3.3. Entorno de programación MikroC
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4.5 CONTROL
Es la acción o el efecto de poder decidir sobre el desarrollo de un proceso o
sistema. También se puede entender como la forma de manipular ciertas variables
para conseguir que ellas u otras variables actúen en la forma deseada.
4.6 AUTOMATIZACIÓN
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción,
realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos
tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
Parte de Mando
Parte Operativa
4.6.1 Automatización Optativa
Es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que
hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos
que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como
motores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de
carrera, etc.
4.6.2 Automatización de mando
Suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace
bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos
lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación
automatizado el autómata programable está en el centro del sistema. Este debe
ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
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4.6.3 Objetivos de la automatización
Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la
producción y mejorando la calidad de la misma.
Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos
penosos e incrementando la seguridad.
Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades
necesarias en el momento preciso.
Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes
conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
Integrar la gestión y producción.
4.7 RESISTENCIA
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La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de
cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la corriente
y voltaje a todos los puntos necesarios.
El valor de la resistencia se expresa en ohmio, al cual representamos con el
símbolo
Si sometemos los extremos de una resistencia al paso de una corriente
continua se producirá en la misma una caída de tensión proporcional a su valor.
La intensidad que la atraviese será también proporcional a la tensión aplicada y al
valor en ohmios de la resistencia.
Hay dos formas de asociar resistencias en un circuito: asociación serie y
asociación paralelo:
La resistencia equivalente de un circuito serie es:
RT = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
lo cual nos indica que una sola resistencia de valor RT se comportará de la misma
forma que las n resistencias R1, R2, R3 ... Rn conectadas en serie.
Si el circuito es en paralelo entonces la resistencia equivalente es:
RT = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... + 1/Rn)
Cuando se trata de dos resistencias en paralelo se tiene:
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Código de colores
Identificar un resistor no es una tarea muy complicada, se observa que estos
poseen 4 bandas de colores, 3 de idénticas proporciones y una más alejada de
éstas. Estas bandas representan el valor real del resistor incluyendo su porcentaje
de tolerancia o error siguiendo un código de colores estándar.
En primer lugar tratamos de identificar el extremo que corresponde a la banda de
tolerancia del resistor, que en la mayoría de los casos suele ser dorada (5%) o
(algo más raro) plateada (10%). Una vez localizada ésta la dejamos de lado,
(literalmente a la derecha), vamos al otro extremo y leemos la secuencia:
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-Primera banda: corresponde al primer dígito del valor
-Segunda banda: corresponde al segundo dígito del valor
-Tercera banda: representa al exponente, o "números de ceros" a agregar
-Cuarta banda: porcentaje de tolerancia (la que habíamos identificado primero)
Los colores corresponden a valores estandarizados como se detallan:
Color 1º y 2º dígitos multiplicador tolerancia
Negro 0 1 (x100)
Marrón 1 10 (x101)
Rojo 2 100 (x102)
Naranja 3 1000 (x103)
Amarillo 4 10000 (x104)
Verde 5 100000 (x105)
Azul 6 1000000 (x106)
Violeta 7 10000000 (x107)
Gris 8 100000000 (x108)
Blanco 9 1000000000 (x109)
Dorado 0.1 (x10-1) 5%
Plateado 10%
4.8 LED
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El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que
al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios
colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color
rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.
Es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido
cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él
una corriente eléctrica . Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el
LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al
ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.
Este dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta
de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en
las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo
por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.
Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón
por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo.
Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que
atraviesa el LED y evitar que este se pueda dañar; para ello, hay que tener en
cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios
aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color
de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía
según su aplicación. Los Valores típicos de corriente directa de polarización de un
LED están comprendidos entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de
color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LED.
Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras
comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con
una vida aproximada de 100,000 horas. Para la protección del LED en caso haya
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picos inesperados que puedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en sentido
opuesto un diodo de silicio común
En general, los LED suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que
circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele
buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto
más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto
menor es la intensidad que circula por ellos).
ESTRUCTURA DEL LED
4.9 MULTIPLEXOR
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El multiplexor es el circuito lógico combinacional equivalente a un interruptor
mecánico giratorio de varias posiciones, tal como el componente que sirve
para seleccionar las bandas de un receptor de radio.
Permite dirigir la información binaria procedente de diversas fuentes a una
única línea de salida, para ser transmitida a través de ella, a un destino
común.
Disponen de: hasta 2n líneas de entrada de datos, una única de salida
y n entradas de selección; que habilitan y ponen en contacto uno de los
terminales de entrada de datos con el de salida.
El circuito combinacional integrado multiplexor, suele tener: 8 entradas de
datos (bits), 3 entradas de selección (address) y una única salida y datos.
Una de las principales aplicaciones de los multiplexores es que permite
implementar ecuaciones correspondientes al funcionamiento de una función
lógica, reemplazando con un solo chip gran cantidad de cableado y de
circuitos integrados.
Para lo que se debe seguir el siguiente protocolo:
Se conectan a las entradas de selección las variables de entrada del
problema.
Se conectan las entradas de dato a 1 o a 0, según convenga a la
configuración escogida con la entrada de selección.
Cuando no disponemos de suficientes entradas de selección en un multiplexor
para conectar con las entradas del problema, podemos continuar
empleándolos, estableciendo en las entradas de dato los valores adecuados
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correspondientes con ayuda de lógica adicional y en función de la variable que
no conectamos a la entrada de selección.
La función tiene cuatro variables de entradas, A, B, C, D, con lo que existen
combinadas, dan lugar a 16 combinaciones posibles. Empleando un
multiplexor de 4 entradas de control, se dispondrán de 16 canales de datos,
por lo tanto uno por cada posible combinación de las variables de entrada de
la función lógica.
Cada término que constituye la función corresponde a las de cada
combinación de las variables de entrada que hacen 1 dicha función, por lo que
si aplicamos las variables de la función a las entradas de selección y
conectamos a 1 los canales de entrada que se corresponden con las
combinaciones que intervienen en la función, poniendo a 0 el resto de los
canales, tendremos la función implementada.
Es posible implementar funciones lógicas de n variables con multiplexores de
n-1 entradas de control, lo que producirá el consiguiente ahorro económico.
Con el ejemplo del apartado anterior, confeccionamos la siguiente tabla,
donde se agrupan por columnas todas las posibles combinaciones de tres de
las variables de entrada B, C y D, dejando en las filas las posibilidades de la
variable que resta A.
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Por tanto, la implementación del circuito se consigue aplicando las variables b,
c y d a las tres entradas de selección del multiplexor y conectando las
entradas de los canales de la siguiente forma:
Canales 0 y 2 conectado a 0.
Canales 1, 4 y 6 conectado a 1.
Canales 3, 5 y 7 a través de un inversor a la variable a, ya que su valor es
siempre el contrario del de dicha variable.
4.10 SOFTWARE DE SIMULACION
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Un simulador de circuitos electrónicos es una herramienta de software utilizada
por profesionales en el campo de la electrónica y los estudiantes de las carreras
de tecnologías de información. Ayuda a crear algún circuito que se desee
ensamblar, ayudando a entender mejor el mecanismo, y ubicar las fallas dentro
del mismo de manera sencilla y eficiente.
El diseño de estos programas de software llevan varios años siendo desarrollados
y mejorado sus características, Uno de los primeros simuladores creados
fue SPICE, desarrollado por Donald Pederson en la Universidad de California en
Berkeley en 1975.
El funcionamiento de este programa se basa en línea de órdenes, las cuales no
son tan fáciles de utilizar al momento de diseñar todo un circuito complejo y el
usuario debe de tener un conocimiento correcto sobre cómo utilizar las
instrucciones correctas. Sin embargo, SPICE es fundamental para otros
programas con mayor interactividad con el usuario, tales como Oregano o GEDA.
Ventajas:
Utilizar un simulador de circuitos le permite al ingeniero electrónico hacer pruebas
sin correr el riesgo de dañar algún circuito, si eso llegase a ocurrir, implicaría
mayor gasto de material semiconductor.
Cuando un circuito trabaje correctamente en el simulador, será más fácil armarlo
en una tabla de prototipo (protoboard), y se puede tener la seguridad de que el
circuito funcionará correctamente.
Con el simulador se puede hallar de manera más fácil los errores y problemas que
surgen a la hora de ensamblar los circuitos eléctricos, con algunas herramientas
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que los programas ya cuentan como por ejemplo: multímetros, generadores de
voltaje u osciloscopios.
Algunos programas cuentan con diferentes vistas al circuito que se está armando.
Se puede observar como si se estuviese conectando en un protoboard, o como un
diagrama de conexiones. También se puede ver como una placa de circuitos la
cual se puede mandar a fabricar con alguna compañía y así obtendrá un trabajo
final funcionando.
Desventajas:
Algunos simuladores de circuitos no están lo suficientemente actualizados, y no
cuentan con todos los chips del mercado, y eso sería un contratiempo para el
diseñador, ya que deberá darse a la tarea de fabricar su propio semiconductor, y
eso podría tomarse su tiempo.
Cuando no se sabe cómo manejar el programa de simulación, genera retrasos en
los diseños, se debe estudiar de manera completa todos los componentes y
opciones que tiene el programa, para poder realizar el trabajo de manera correcta.
4.10.1 PROTEUS
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Proteus es un software de diseño electrónico desarrollado por Labcenter
Electronics que consta de dos módulos: Ares e Isis y que incluye un tercer módulo
opcional denominado Electra.
ISIS: Mediante este programa podemos diseñar el circuito que deseemos con
componentes muy variados, desde una simple resistencia hasta algún que otro
microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentación,
generadores de señales y muchas otras prestaciones. Los diseños realizados en
Isis pueden ser simulados en tiempo real. Una de estas prestaciones es VSM, una
extensión de la aplicación con la cual podremos simular, en tiempo real, todas las
características de varias familias de microcontroladores, introduciendo nosotros
mismos el programa que queramos que lleven a cabo.
ARES: Ares es la herramienta de rutado de Proteus, se utiliza para la fabricación
de placas de circuito impreso. Esta herramienta puede ser utilizada de manera
manual o dejar que el propio programa trace las pistas, aunque aquí podemos
también utilizar el tercer módulo: Electra (Electra Auto Router), el cual, una vez
colocados los componentes, trazará automáticamente las pistas realizando varias
pasadas para optimizar el resultado.
El software de diseño y simulación Proteus es una herramienta útil para
estudiantes y profesionales que desean acelerar y mejorar sus habilidades para
del desarrollo de aplicaciones analógicas y digitales.
ISIS (una de las dos aplicaciones de Proteus) permite el diseño de circuitos
empleando un entorno gráfico en el cual es posible colocar los símbolos
representativos de los componentes y realizar la simulación de su funcionamiento
sin el riesgo de ocasionar daños a los circuitos.
La simulación puede incluir instrumentos de medición y la inclusión de gráficas
que representan las señales obtenidas en la simulación.
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Lo que más interés ha despertado es la capacidad de simular adecuadamente el
funcionamiento de los microcontroladores más populares (PICS, ATMEL-AVR,
MOTOROLA, 8051, etc.)
También tiene la capacidad de pasar el diseño a un programa integrado llamado
ARES (la otra aplicación de Proteus) en el cual se puede llevar a cabo el
desarrollo de placas de circuitos impresos.
4.11 CAPACITORES
Se le llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. Está formado
por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo
que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.
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Pueden conducir corriente sólo un instante por lo cual podemos decir que los
capacitores, para las señales continuas, son como un cortocircuito, aunque
funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad
lo convierte en dispositivos demasiado útiles cuando se debe impedir que la
corriente continua entre a determinada parte de un circuito, además, en los
tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia
eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.
El valor de un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la
distancia entre ellas, la que está determinada por el espesor del dieléctrico, dicho
valor se expresa en términos de capacidad. La unidad de medida de dicha
capacidad es el faradio (F). Los valores de capacidad utilizados en la práctica son
mucho más chicos que la unidad, por lo tanto, dichos valores estarán expresados
en microfaradios (1 mF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1 hF = 1 x 10-9 F) o
picofaradios (1 rF = 1 x 10-12 F).
Cuando se aplica una tensión continua entre las placas de un capacitor, no habrá
circulación de corriente por el mismo, debido a la presencia del dieléctrico, pero se
producirá una acumulación de carga eléctrica en las placas, polarizándose el
capacitor.
Una vez extraída la tensión aplicada, el capacitor permanecerá cargado debido a
la atracción eléctrica entre las caras del mismo, si a continuación se cortocircuitan
dichas caras, se producirá la descarga de las mismas, produciendo una corriente
de descarga entre ambas.
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Si ahora le aplicamos una tensión alterna se someterá al capacitor a una tensión
continua durante medio ciclo y a la misma tensión, pero en sentido inverso,
durante la otra mitad del ciclo. El dieléctrico tendrá que soportar esfuerzos alternos
que varían de sentido muy rápidamente, y por lo tanto, su polarización deberá
cambiar conforme el campo eléctrico cambia su sentido, entonces si aumentamos
la frecuencia el dieléctrico ya no podrá seguir estos cambios, produciéndose
eventualmente una disminución en la capacidad. En síntesis, la capacidad de un
capacitor disminuye conforme aumenta la frecuencia.
5 DESARROLLO.
5.1 ARMADO DEL CIRCUITO DE CONTROL
En la primera fase de elaboración, se colocaron todos los elementos en una
baquelita perforada, todo basado en el circuito de control, este circuito consta de 2
partes, la primera donde se encuentra el microcontrolador y en la segunda están
los circuitos de control de secuencia manipulados por multiplexores.
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Como segundo paso en la construcción del circuito, se soldó cada componente a
la baquelita, principalmente solo la base del microcontrolador y de los
multiplexores para mantener una referencia de cómo se distribuyen los elementos
en el circuito.
Se tomó en cuenta la demanda de corriente que necesitaría el cubo de led´s, si
cada uno de los 512 se mantuviera encendido la energía seria demasiada y no
habría forma de alimentarlo, es por ello que nos dimos a la tarea de aplicar los
multiplexores con la técnica maestro – esclavo, en la cual uno de los
microcontroladores se programa para dar órdenes a los otros, cada uno de ellos
tiene una secuencia programada.
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El tercer paso fue interconectar los elementos, tanto los multiplexores con los
demás CI para realizar la secuencia.
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5.2 ARMADO DEL CUBO DE LED´S
Para la parte del armado del cubo, se realizaron trazos con medidas de 1.9 cm
para la separación de cada led en una base de acrílico.
Una vez teniendo trazada las líneas se perforo con un taladro los orificios en
donde se colocaron los leds.
Ya colocados los leds en la base se soldaron de manera que los cátodos se
unieran, previamente fueron doblados a 90 grados.
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Al finalizar una matriz de leds de 8x8, se utilizaron alambres rectos los cuales
fueron soldados en los extremos y centro de la matriz para darle soporte y rigidez
a la estructura.
El siguiente paso fue montar las matrices una sobre otra, doblando nuevamente la
punta de los pines 3mm, en este caso los ánodos.
De esta forma se llevó a cabo el armado del cubo, uniendo así los siguientes pisos
de matrices.
Al termino del armado del cubo, se colocó sobre una base hecha de madera de
30x30 cm, con perforaciones para el paso libre de los pines de los led´s, esto con
el motivo de evitar un corto circuito, por ello se eligió este material.
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6 RESULTADOS
6.1 LOGICA DE PROGRAMACION DEL CUBO DE LEDS
En la figura 6.1.1 se muestra la lógica de programación empleada para la
realización del efecto número uno. Donde por medio de un multiplexor se manda
la señal a cuatro módulos LACHT los cuales se encargan de enviar la señal a
cada uno de los cátodos de los leds, por otra parte la parte fundamental se basa
en el control de las tierras, ya que cada nivel de leds cuanta con una tierra
independiente y es de esta manera como se logra cerrar el circuito y así mismo se
obtiene el encendido de un led o un vector de la matriz.
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6.2 SIMULACIÓN DEL CUBO
En la figura 6.2.1 se puede apreciar parte de la simulación en el software ISIS PROTEUS.
6.3 CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DEL EFECTO 1
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Figura 6.3.1 muestra parte del código de programación para lograr crear el primer efecto en el cubo de leds.
A continuación se muestra el código de programación completo de la secuencia No. 1:
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int i,j, E1[4] = 15,9,9,15;
int muestra_E1()
for (j = 0; j <= 3; j++)
PORTB = E1[j];
if (j==0)
PORTA.F0 = 1;
if (j==1)
PORTA.F0 = 0;
PORTA.F1 = 1;
if (j==2)
PORTA.F1 = 0;
PORTA.F2 = 1;
if (j==3)
PORTA.F2 = 0;
PORTA.F3 = 1;
Delay_ms(1);
PORTA.F3 = 0;
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return 0;
void main()
TRISB = 0b11110000;
PORTB = 0b00000000;
TRISA = 0b00000000;
PORTA = 0b00000000;
for (i = 0; i<=3; i++)
switch (i)
case 0: PORTA.F5 = 0;
PORTA.F4 = 0;
muestra_E1();
break;
case 1: PORTA.F5 = 0;
PORTA.F4 = 1;
muestra_E1();
break;
case 2: PORTA.F5 = 1;
PORTA.F4 = 0;
muestra_E1();
break;
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case 3: PORTA.F5 = 1;
PORTA.F4 = 1;
muestra_E1();
break;
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7 CONCLUSIONES
Se concluyó que se alcanzaron los objetivos propuestos, cabe mencionar, que
este es el primer desarrollo de un cubo de leds que incorpora un lenguaje de
programación.
Durante el desarrollo del cubo de leds se realizaron las adecuaciones necesarias
para que esta funcionara correctamente; Todas las precauciones investigadas y
los consejos otorgados por un asesor fueron tomados en cuenta, y eso fue un
factor sumamente importe en el éxito del funcionamiento del prototipo.
Para el desarrollo del código de programación fue necesario adentrarse en
conocimientos sobre matrices y vectores, ya que el funcionamiento de la rutina se
basa en este principio, fue necesario investigar conceptos de control de sistemas
digitales ya que de igual manera se utilizan las tablas de verdad binarias para la
correcto funcionamiento del efecto.
Cabe mencionar que algunos libros de programación de microcontroladores
realizan otro tipo de lógica de nivel bajo, ya que ningún libro habla acerca del
control de vectores o matrices de leds, lo cual hizo aún más compleja la parte de
documentación de funcionamiento de la lógica de programación empleada.
Este proyecto represento una gran oportunidad de adquirir un aprendizaje
significativo y poder incrementar las habilidades de programación, ya que esto es
nuevo, ya que abarca la mayor parte de las herramientas de la actualidad y del
futuro de la electrónica del porvenir.
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