PDF de programación - Microcontrolador: la solución está en un chip - Capítulo 1

PRIMERA PARTE

La gama básica: el humilde PIC12F508

TEORÍA

Microcontrolador:
la solución está en un chip

CAPÍTULO

1

1.1. ¿QUÉ ES UN MICROCONTROLADOR?

Es un pequeño computador construido sobre el «chip» o dado de silicio que hay dentro
de un circuito integrado. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea de-
terminada o el de un producto, y debido a su reducido tamaño, suele estar incorporado
en el propio dispositivo que gobierna. Esta última característica es la que le confiere la
denominación de «controlador incrustado» (embebed controller) (Fig. 1.1).

Al microcontrolador se le considera como un «computador dedicado» pues en su
memoria reside un único programa destinado a controlar una aplicación concreta, sus
líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del siste-
ma a gobernar y todos los recursos complementarios disponibles tienen como finalidad
exclusiva atender los requerimientos de la tarea a la que se dedica el microcontrolador
(Fig. 1.2).

Figura 1.1. El microcontrolador es tan pequeño que podría incrustarse en un dado y cambiar su suerte.

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MICROCONTROLADORES «PIC». DISEÑO PRÁCTICO DE APLICACIONES

Figura 1.2. Fotografía de un ratón para PC abierto. Se distingue el microcontrolador que se encarga de
recoger los movimientos de la «bola» y transferirlos al PC para producir los desplazamien-
tos correspondientes del cursor en la pantalla.

Un microcontrolador es un computador completo, aunque de capacidad limitada, que está
contenido en un circuito integrado y se destina a gobernar una tarea o producto en donde
suele ir incrustado.

Figura 1.3. La inclusión de un microcontrolador en un pastillero le añade prestaciones que le otorgan el

calificativo de «inteligente».

MICROCONTROLADOR: LA SOLUCIÓN ESTÁ EN UN CHIP

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Figura 1.4. Distribución porcentual de la producción mundial de microcontroladores en las cinco grandes

áreas de aplicación.

La potencia que se puede obtener de un computador es inmensa; por eso, si son
pequeños y baratos, se pueden incorporar en cualquier producto por pequeño y econó-
mico que sea, abriendo las puertas de la imaginación de los diseñadores. Empresas del
prestigio de Dataquest auguran la presencia de centenares de microcontroladores en los
hogares del mundo desarrollado en un futuro cercano.

1.2. LA INVASIÓN DEL MUNDO

La potencia de los microcontroladores aumenta constantemente a la par que su volumen
y coste, lo que está dando lugar al crecimiento exponencial de su aplicación y, en conse-
cuencia, a su invasión en muchos de los productos típicos del mundo moderno. Funda-
mentalmente, existen cinco grandes campos de aplicación de los microcontroladores.

1.o Comunicaciones.
2.o Gran consumo.
3.o Automoción.
4.o Informática.
5.o Industria.

Las comunicaciones y sus sistemas de transferencia de información utilizan profu-
samente los microcontroladores, siendo el teléfono móvil su componente más represen-
tativo (Fig. 1.5).

En el área de productos de gran consumo, los electrodomésticos de línea blanca
(lavadoras, hornos, lavavajillas, etc.) y de línea marrón (televisores, vídeos, aparatos de
audio, etc.) incorporan numerosos microcontroladores (Fig. 1.6).

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MICROCONTROLADORES «PIC». DISEÑO PRÁCTICO DE APLICACIONES

Figura 1.5. Las comunicaciones absorben la mayor parte de la producción mundial de microcontrolado-

res, siendo el teléfono móvil uno de los dispositivos que más utilizan.

Figura 1.6. Los electrodomésticos de línea blanca y marrón, como el televisor, precisan numerosos mi-

crocontroladores para optimizar su funcionamiento y sus prestaciones.

La industria de automoción es una firme candidata a incrementar el consumo de
microcontroladores para soportar las nuevas y cada vez más exigentes funcionalidades
de los vehículos modernos. En 2003, Microchip vendió veinticinco millones de micro-
controladores para el control del sensor del airbag.

La industria informática acapara una buena parte de la producción de microcontro-
ladores, puesto que casi todos los periféricos del computador disponen de uno o varios,
como sucede con las impresoras, teclados, discos duros, escáneres, etc.

En el área industrial, hay secciones como la robótica, la visión artificial, el control
de motores, las fuentes de alimentación ininterrumpibles, etc., que son grandes consu-
midores de microcontroladores.

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Figura 1.7. Bastantes sistemas de control, confort y seguridad del automóvil son gobernados por micro-

controladores.

Más de la mitad de la producción mundial de microcontroladores es absorbida por las
comunicaciones y los productos de gran consumo. El resto se reparte entre el sector de la
automoción, la informática y la industria.

Figura 1.8. Casi todos los periféricos del computador, como la impresora, utilizan microcontroladores.

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MICROCONTROLADORES «PIC». DISEÑO PRÁCTICO DE APLICACIONES

Figura 1.9. Los robots industriales precisan numerosos y potentes microcontroladores para su control.

Además de las cinco áreas comentadas, van apareciendo constantemente otras nue-
vas que precisan el empleo de microcontroladores, como la industria militar, la electro-
medicina, los juegos, la navegación espacial, etc.

Figura 1.10. Fotografía de una pistola para la medida del dolor en pacientes de fibromialgia basada en

microcontrolador.

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1.3. EN EL INTERIOR DEL MICROCONTROLADOR

Dentro del circuito integrado que materializa un microcontrolador hay un completo
computador, aunque de recursos y prestaciones limitadas. Consta de tres grandes
bloques.

BLOQUES DEL COMPUTADOR

1. Unidad de proceso:

A. Procesador.
B. Memoria de programa.
C. Memoria de datos.
D. Líneas de E/S.

2. Periféricos complementarios:

A. Temporizadores.
B. Conversores A/D.
C. Comparadores analógicos.
D. Puertos de comunicación.
E. Otros.

3. Recursos auxiliares:

A. Circuito de reloj.
B. Modos de bajo consumo.
C. Perro Guardián.
D. «Reset» al conectar la alimentación.
E. Otros.

Lo verdaderamente curioso es que con tantas cosas como hay dentro del microcon-
trolador sólo existe comunicación con el exterior a través de las patitas o «pines» exis-
tentes en la cápsula, que pueden ser tan pocas como seis u ocho. Dichas patitas sirven
para recibir la alimentación, la señal de reloj para sincronizar su funcionamiento, para
controlar los periféricos externos a gobernar y para sacar o introducir información con
el mundo exterior (Fig. 1.11).

Si sólo existiese un modelo de microcontrolador, éste debería tener muy potenciados
todos sus recursos para poderse adaptar a las exigencias de las múltiples aplicaciones
posibles. Esta potenciación supondría un despilfarro en muchos casos. En la práctica,
cada fabricante oferta un elevado número de modelos diferentes desde los más sencillos
hasta los más potentes. Es posible seleccionar la capacidad de la memoria, la velocidad
de funcionamiento, los periféricos y recursos complementarios, el número de líneas de
E/S, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado en la labor del ingeniero de diseño es
la elección del microcontrolador apropiado.

EJEMPLO

Un horno microondas se gobierna mediante un microcontrolador en el que se almacena
el programa, que tiene 382 instrucciones, cada una de las cuales ocupa una palabra
de la memoria de código. Para soportar el teclado y la pantalla LCD necesita de doce

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MICROCONTROLADORES «PIC». DISEÑO PRÁCTICO DE APLICACIONES

Figura 1.11. El computador que hay en el microcontrolador sólo dispone de las patitas exis-
tentes en el encapsulado para comunicarse con los periféricos y dispositivos
externos a gobernar, recibir la alimentación y la señal de reloj.

líneas de E/S. ¿Cuál de los siguientes modelos de microcontroladores es el que más se
adapta a los requerimientos de la aplicación?

Memoria instr.

(palabras)

Líneas E/S

Precio (euros)

512
512
1.024
4.096

6
13
13
33

1,30
2,17
2,50
3,17

Modelo

PIC12F508
PIC16F83
PIC16F84A
PIC16C54

SOLUCIÓN

Para esta aplicación es suficiente el PIC16F83 y su empleo supone una importante eco-
nomía de material y mano de obra.

1.4. DIFERENCIA ENTRE MICROCONTROLADOR

Y MICROPROCESADOR

El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Pro-
ceso (UCP) de un computador. La UCP, también llamada procesador, está formada
por la Unidad de Control, que interpreta o traduce las instrucciones, y el Camino de
Datos, que se encarga de ejecutar las operaciones que conllevan las instrucciones.

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Figura 1.12. Un computador basado en un microprocesador es un sistema «abierto» que puede configu-

rarse a medida adaptando a sus buses los módulos necesarios.

Por las patitas de un microprocesador salen al exterior las líneas de los buses de
direcciones, de datos y de control para permitir comunicar el procesador con la Memo-
ria y los Módulos de E/S para configurar un computador completo. De esta manera, el
computador completo se construye con varios circuitos integrados y se dice que el sis-
tema que configura un microprocesador es «abierto» porque su estructura varía según la
aplicación a la que se destine (Fig. 1.12).

Un microcontrolador es un sistema «cerrado» porque contiene un computador completo y
de prestaciones fijas y limitadas que son difíciles de modificar.

Un microprocesador sólo es una parte del computador, la más importante, la UCP, y
para construir un computador completo hay que conectar otros circuitos integrados que
contengan la Memoria y los Módulos de E/S; por eso, se puede configurar a medida y se
llama sistema «abierto».

El PC es un computador conocido por todos que está basado en un microprocesador,
como el Pentium, que reside en la tarjeta principal y se c