Microcontroladores PIC, Notas de estudo de Automação

Baixe Microcontroladores PIC e outras Notas de estudo em PDF para Automação, somente na Docsity!

Tercera edición

JOSÉ M.ª ANGULO USATEGUI

Dr. Ingeniero Industrial Catedrático de Arquitectura de Computadores en la Universidad de Deusto

IGNACIO ANGULO MARTÍNEZ

Licenciado en Informática Director Técnico de Ingeniería de Microsistemas Programados, S. L. Profesor de Tecnología de Computadores en la Universidad de Deusto (Campus de Vitoria)

MADRID • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • QUILPUÉ • MÉXICO ARAUCO • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTAFÉ DE BOGOTÁ • SANTIAGO • SÀO PAULO AUCKLAND • HAMBURGO • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • VALPARAÍSO • PARÍS SAN FRANCISCO • SIDNEY • SINGAPUR • ST. LOUIS • TOKIO • TEMUCO

MICROCONTROLADORES «PIC»

Diseño práctico

de aplicaciones

Primera parte. El PIC16F

Lenguajes PBASIC y Ensamblador

El software contenido en el CD destinado a la edición, ensamblage, simulación y depuración de programas son propiedad de sus respectivos fabricantes: Microchip Technology Inc., Parallax Inc. e Ingeniería de Microsistemas Programados S.L. El simulador SIM2000 es propiedad de los autores.

MICROCONTROLADORES «PIC». Diseño práctico de aplicaciones. Primera parte: El PIC16F84. Lenguajes PBASIC y Ensamblador. Tercera edición

No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

DERECHOS RESERVADOS © 2003, respecto a la tercera edición en español, por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U. Edificio Valrealty, 1.ª planta Basauri, 17 28023 Aravaca (Madrid)

ISBN: 84-481-3788- Depósito legal: M. 16.641-

Editora: Concepción Fernández Madrid Asistente Editorial: Susana Santos Prieto Diseño de cubierta: Design Master DIMA Compuesto en: FER Fotocomposición, S. A. I mpreso en: EDIGRAFOS, S. A.

I MPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN

CONTENIDO i x

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 funcionamien- to de los ratones y teclados de los computadores, en los teléfonos y en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la invasión acaba de comenzar y los albores del siglo xxi serán testigos de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricamos y usamos los humanos. Las extensas áreas de aplicación de los microcontroladores, que se pueden considerar ili- mitadas, exigirán un gigantesco trabajo de diseño y fabricación. Aprender a manejar y aplicar microcontroladores sólo se consigue desarrollando práctica- mente diseños reales. Sucede lo mismo que con cualquier instrumento musical, cualquier de- porte y con muchas actividades. El objetivo primordial que nos ha movido al escribir este libro es facilitar el camino al lector para que se entusiasme y utilice los microcontroladores, por eso está plagado de pro- gramas para confeccionar y simular, así como de proyectos reales para manejo de los perifé- ricos típicos. La filosofía y el método que hemos empleado nos ha dado excelentes resultados en nues- tros entornos de trabajo. Un autor es profesor y enseña los microcontroladores en la universi- dad, y el otro también los aplica en los proyectos que dirige en una empresa. Se trata de des- cribir un modelo simple de microcontrolador de manera lo suficientemente clara para que el lector quiera usarlo. Cuando se conoce un modelo y se han desarrollado proyectos sencillos, es inmediato pasar a manejar otros microcontroladores y acometer complejos diseños. En ese momento, las posibilidades sólo están limitadas por la imaginación y la capacidad de trabajo. Esta obra consta de dos libros. Hemos elegido para ambos una familia de microcontro- ladores: los PIC de Microchip Technology Inc. Dentro de ella seleccionamos un modelo concreto para la primera parte: el PIC16F84. Las razones que nos han empujado a esta de- cisión es que este microcontrolador es sencillo, moderno, rápido, barato y en él se pueden es- cribir los programas y borrarlos montones de veces, dispone de una excelente documentación y las herramientas de desarrollo son asequibles para todos los bolsillos. Hay millares de apli- caciones realizadas con el PIC 16F84 en todo el mundo. Para dar consistencia a nuestro interés por la experimentación, el libro incluye un CD que contiene varios tutoriales, un simulador y los programas necesarios para editar, ensamblar,

xiii

xiv PRÓLOGO

depurar y simular todos los ejercicios y proyectos que se proponen en el texto y que se hallan resueltos. Además, para que el lector no encuentre una barrera en el coste de las herramien- tas, se han elegido aquellas que por su precio se acomodan a cualquier presupuesto. En esta nueva edición se ha modificado el contenido y la estructura de los capítulos de esta primera parte de iniciación que es la que tiene entre sus manos. Se ha enfocado preferen- temente a estudiar teórica y prácticamente al PIC16F84, modelo que ha logrado un éxito a ni- vel mundial. Además, se ha intentado ofrecer un solo tema en cada capítulo y proporcionar programas, diseños y manejo de herramientas una vez presentados los conceptos teóricos pre- vios. El libro que conforma la segunda parte de esta obra se destina a los microcontroladores PIC 16F87X, de mayor complejidad, que exigen el uso de herramientas más avanzadas y se utilizan en aplicaciones mucho más exigentes. En el Capítulo 1 se describen las características generales del hardware y software que en- vuelven a los microcontroladores en general y sus aplicaciones. El Capítulo 2 se dedica a pre- sentar las gamas de microcontroladores PIC y las razones por las que se les ha elegido en esta obra. Una importante novedad la constituyen los Capítulos 3 y 4 que contienen todo el material preciso para conocer, manejar y programar los módulos de Parallax con el lenguaje PBASIC, «el más fácil del mundo». Consideramos que este acercamiento al diseño con microcontrola- dores pone en manos de las personas con escasos conocimientos de Electrónica e Informática un camino sencillo y apropiado. Mediante los módulos BASIC Stamp se enseña a desarrollar experiencias al alcance de todos. El Capítulo 5 toma el primer contacto con el PIC16F84 y pre- senta los circuitos básicos que le rodean, destinando el Capítulo 6 a la arquitectura interna. En el 7 se describen los recursos fundamentales: temporizadores, puertas de E/S y EEPROM. El Capítulo 8 expone el manejo de las interrupciones y de algunos circuitos auxiliares. El repertorio de instrucciones con ejercicios de manejo se analiza en el Capítulo 9. En el 10 se muestran las herramientas más comunes para el uso de microcontroladores y la implementa- ción de proyectos. El Capítulo 11 enseña a programar aplicaciones en Ensamblador de una for- ma clara y progresiva y el 12 ofrece una colección de prácticas reales de carácter didáctico que son muy asequibles. Como complemento a los 12 capítulos, en la parte final del libro, existen varios apéndices muy útiles. El A es una guía rápida del PIC 16X84. El B es una guía para el usuario del simu- lador software SIM2000 que se incluye en el CD del libro y que ha sido cedido por sus autores, Pablo Martínez y Francisco José Hernández, que lo desarrollaron en la Universidad de Carta- gena bajo la dirección del profesor Manuel Sánchez. El Apéndice C explica las características y el funcionamiento del sistema de desarrollo Micro'PIC Trainer. El E muestra el contenido del CD que acompaña al libro y el F propone una colección de proyectos clásicos con el PIC 16F84 para implementar con componentes muy comunes y económicos. Finalmente hay una sección de Bibliografía y de direcciones interesantes para trabajar con PIC y un índice Alfabético. Gran parte de la información ofrecida en el libro se ha obtenido de las documentaciones técnicas de Microchip (www.microchip.com), de Parallax (www.parallaxinc.com) y de In- geniería de Microsistemas Programados, S. L. (www.microcontroladores.com), a quienes agradecemos su colaboración.

2 MICROCONTROLADORES «PIC». DISEÑO PRÁCTICO DE APLICACIONES

Las comunicaciones y sus sistemas de transferencia de información utilizan profusamente estos pequeños computadores incorporándolos en los grandes automatismos y en los modernos teléfonos. La instrumentación y la electromedicina son dos campos idóneos para la implantación de estos circuitos integrados. Una importante industria consumidora de microcontroladores es la

MICROCONTROLADORES PROGRAMABLES: LA SOLUCIÓN ESTÁ EN UN CHIP 3

de automoción, que los aplica en el control de aspectos tan populares como la climatización, la seguridad y los frenos ABS.

Las comunicaciones y los productos de consumo general absorben más de la mitad de la (^) pro- ducción de microcontroladores. El resto se distribuye entre el sector de la automoción, los com- putadores y la industria.

1.1.1. (^) Diferencia entre microprocesador y microcontrolador

El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP está formada por la Unidad de Con- trol, que interpreta las instrucciones, y el Camino de Datos, que las ejecuta. Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine (Figura 1.3).

Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con l as características que se desee, acoplándole los módulos necesarios. Un microcontrolador es un (^) sistema cerrado que contiene un computador completo y de pres- taciones limitadas que no se pueden modificar.

Figura 1.3. (^) Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de los buses en el exterior- permite que se configure a la medida de la aplicación.

MICROCONTROLADORES PROGRAMABLES: LA SOLUCIÓN ESTÁ EN UN CHIP 5

1.2. ARQUITECTURA INTERNA

Un microcontrolador posee todos los componentes de un computador, pero con unas caracte- rísticas fijas que no pueden alterarse. Las partes principales de un microcontrolador son:

A continuación se pasa revista a las características más representativas de cada uno de los componentes del microcontrolador.

1.2.1. El procesador

La necesidad de conseguir elevados rendimientos en el procesamiento de las instrucciones ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann. Esta última se caracterizaba porque la UCP (Unidad Central de Proceso) se conectaba con una memoria única, donde co- existían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses (véase Figura 1.5).

Figura 1.5. En la arquitectura de «von Neumann» la UCP se comunicaba a través de un sistema de buses con la Memoria, donde se guardaban las instrucciones y los datos.

1. Procesador

2. Memoria no volátil para contener el programa
3. Memoria de lectura y escritura para guardar los datos
4. (^) Líneas de EIS para los controladores de periféricos: a) (^) Comunicación paralelo b) (^) Comunicación serie c) Diversas puertas de comunicación (bus (^) l2ºC, USB, etc.)
5. (^) Recursos auxiliares: a) Circuito de reloj b) Temporizadores c) Perro Guardíán («watchdog») d) Conversores AD y DA e) Comparadores analógicos f) Protección ante fallos de la alimentación g) (^) Estado de reposo o de bajo consumo

6 MICROCONTROLADORES «PIC». DISEÑO PRÁCTICO DE APLICACIONES

En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos. También la capaci- dad de cada memoria es diferente (Figura 1.6).

El procesador de los modernos microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Com- putadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecuta en un ciclo de instrucción. Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descompo- niéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y traba- jar con varias a la vez.

1.2.2. (^) Memoria de programa

El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. No hay posibilidad de utilizar memorias externas de ampliación. Como el programa a ejecutar siempre es el mismo, debe estar grabado de forma perma- nente. Los tipos de memoria adecuados para soportar esta función admiten cinco versiones diferentes:

El alto rendimiento y elevada velocidad que alcanzan los modernos procesadores, como el que poseen los microcontroladores PIC, se debe a la conjunción de tres técnicas:

• Arquitectura Harvard - Computador tipo RISC
  • Segmentación