Datos en inglés del microcontrolador
Desarrollados a partir de tradiciones simples, estos notables sistemas no solo reemplazan los equipos electromecánicos sino que también resuelven un número creciente de problemas de control en industrias de procesos y no procesos. Todo indica que estos gigantes impulsados por microprocesadores seguirán abriendo nuevos caminos en las fábricas automatizadas hasta bien entrada la década de 1990.
Historia
En la década de 1960, en términos de control, los equipos electromecánicos eran la corriente principal en ese momento. Estos dispositivos, a menudo llamados relés, son utilizados por miles de personas para controlar muchos procesos de fabricación secuenciales y máquinas individuales. Muchos de estos relés se utilizan en la industria del transporte y, más concretamente, en la industria del automóvil. Estos relés utilizan cientos de cables y sus interconexiones para implementar soluciones de control. El rendimiento del relé es generalmente confiable, al menos como dispositivo único. Pero las aplicaciones comunes de paneles de relés requieren de 300 a 500 o más relés, y los problemas de confiabilidad y mantenimiento asociados con el soporte de estos paneles se convierten en un desafío muy importante. El costo se convierte en otro tema porque, aunque el relé en sí es de bajo costo, el costo de instalación del panel puede ser bastante alto. El costo total, incluida la compra de piezas, el cableado y la mano de obra de instalación, puede oscilar entre 30 y 50 dólares por relé. Para empeorar las cosas, cambiar los requisitos del proceso requirió modificaciones repetidas en el panel de control. Para los relés, esta es una perspectiva costosa ya que se logra con un importante trabajo de recableado en el panel. Además, estos cambios a veces no estaban bien documentados, lo que generaba pesadillas de mantenimiento en el segundo turno meses después. Teniendo esto en cuenta, es común descartar un panel de control completo en favor de un panel de control nuevo que tenga los componentes apropiados conectados de una manera que se adapte al nuevo proceso. Si a esto le sumamos los costos impredecibles y potencialmente altos de mantener estos sistemas en líneas de producción automotriz de gran volumen, existe una clara necesidad de mejorar los procesos de control para hacerlos más confiables, más fáciles de solucionar y más adaptables a las necesidades cambiantes de control.
Esa cosa, a finales de los años 60, fue el primer controlador programable. Este primer sistema "revolucionario" fue desarrollado específicamente para satisfacer las necesidades de un importante fabricante de automóviles estadounidense. Estos primeros controladores, o controladores lógicos programables (PLC), representaron los primeros sistemas que 1 se podían usar en la fábrica, 2 donde la "lógica" se podía cambiar sin necesidad de recableado extenso ni cambios de componentes, 3 en Fácil de diagnosticar y reparar cuando surgen problemas.
Es interesante observar los avances realizados en el campo de los controladores programables durante los últimos 15 años. El producto pionero de finales de los años 1960 debe haber confundido y asustado a mucha gente. Por ejemplo, ¿qué pasó con los equipos electromecánicos y cableados que el personal de mantenimiento estaba acostumbrado a reparar con herramientas manuales? Fueron reemplazados por "computadoras" disfrazadas de dispositivos electrónicos, utilizadas para reemplazar los relés. Incluso las herramientas de programación están diseñadas como demostraciones equivalentes al estilo de un relé. Ahora tenemos la oportunidad de revisar la promesa que los controladores programables aportan a la fabricación.
Todos los controladores programables están compuestos por bloques de funciones básicas que se muestran en la Figura 10. 1. Examinaremos cada módulo para comprender su relación con el sistema de control. Primero nos fijamos en el centro, ya que es el corazón (o al menos el cerebro) del sistema. Consiste en un microprocesador, una memoria lógica para almacenar la lógica de control real y una memoria o memoria variable para almacenar datos que generalmente cambian con la funcionalidad del procesador y la memoria. El siguiente es el módulo de E/S. Esta función recibe las señales de nivel de control de la CPU y las convierte en niveles de voltaje y corriente adecuados para interactuar con sensores y actuadores de fábrica. Los tipos de E/S incluyen digitales (discretas o encendidas/apagadas), analógicas (continuamente variables) o una variedad de E/S "inteligentes" dedicadas a tareas de aplicaciones específicas. Aquí se muestra un programador, pero normalmente se utiliza sólo para la configuración y programación inicial del sistema y no es necesario para el funcionamiento del sistema. También se utiliza para solucionar problemas de sistemas y puede resultar una herramienta valiosa para identificar la causa exacta de un problema. Los dispositivos de campo que se muestran aquí representan los diversos sensores y actuadores conectados a las E/S.
Estos son los brazos, piernas, ojos y oídos del sistema, incluidos botones, interruptores de límite, interruptores de proximidad, sensores fotoeléctricos, termopares, RTDS, dispositivos de detección de posición y lectores de códigos de barras como entrada, así como luces indicadoras, dispositivos de visualización, Motores Como salidas se proporcionan arrancadores, variadores de CC y CA, solenoides e impresoras.
Ningún intento puede cubrir su alcance en rápida evolución, pero se pueden examinar tres características básicas para clasificar los dispositivos de control industrial como controladores programables.
(1) Su operación interna básica es resolver la lógica desde el inicio de la memoria hasta un punto específico, como el final de la memoria o el final del programa. Una vez alcanzado el punto final, la operación comienza nuevamente desde el punto de inicio memorizado. Este proceso de escaneo comienza desde el momento del suministro de energía y continúa hasta que se apaga la energía.
(2) La lógica de programación es una forma de diagrama de escalera de relés. Los contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados y las bobinas de relé se utilizan en una forma que utiliza rieles verticales izquierdo y derecho. El flujo de potencia (símbolo de flujo de positrones) se utiliza para determinar qué bobina o salida está energizada o desenergizada.
(3)La máquina está diseñada fundamentalmente para entornos industriales; esta protección no se añadirá posteriormente. Los entornos industriales incluyen alimentación de CA poco confiable, altas temperaturas (0 a 60 grados Celsius), humedad extrema, vibración, ruido de radiofrecuencia y otros parámetros similares.
Áreas de aplicación general
Hoy en día, los controladores programables se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones de control, muchas de las cuales no eran económicas hace apenas unos años. Esto es cierto por dos razones generales: primero, la rentabilidad (es decir, el costo por punto de E/S) mejora significativamente a medida que disminuye el precio de los microprocesadores y componentes relacionados; segundo, los controladores resuelven tareas complejas de computación y comunicación. donde antes se utilizaban ordenadores dedicados.
Las aplicaciones de controladores programables se pueden clasificar de muchas maneras diferentes, incluidas categorías de aplicaciones generales e industriales. Sin embargo, es importante comprender el marco dentro del cual se entienden y utilizan actualmente los controladores para poder examinar el alcance completo de los desarrollos actuales y futuros. Es gracias al poder de la aplicación que se puede ver el controlador en su totalidad. Las aplicaciones industriales incluyen muchas en industrias de procesos y fabricación discreta. Las aplicaciones de la industria automotriz, origen de los controladores programables, continúan ofreciendo las mayores oportunidades. Otras industrias, como la de procesamiento de alimentos y las de servicios públicos, ofrecen oportunidades de crecimiento actuales.
Hay cinco áreas de aplicación generales que utilizan controladores programables. Una instalación típica utilizará uno o más de estos integrados en el sistema de control. Estos cinco aspectos se describen brevemente a continuación.
Descripción
AT89C51 es un microordenador CMOS de 8 bits de bajo consumo y alto rendimiento con 4K bytes integrados de memoria flash de sólo lectura programable y borrable (PEROM). El dispositivo se fabrica utilizando la tecnología de memoria no volátil de alta densidad de Atmel y es compatible con el conjunto de instrucciones y la configuración de pines estándar de la industria MCS-51. La memoria flash en chip permite reprogramar la memoria del programa dentro del sistema o mediante un programador de memoria no volátil tradicional. El Atmel AT89C51 es un potente microordenador que combina una CPU versátil de 8 bits con Flash en un solo chip, proporcionando una solución altamente flexible y rentable para muchas aplicaciones de control integradas.
Características funcionales
AT89C51 proporciona las siguientes funciones estándar: 4K bytes de memoria flash, 128 bytes de RAM, 32 líneas de E/S, dos temporizadores/contadores de 16 bits, cinco Arquitectura de interrupción vectorial de dos niveles, puerto serie full-duplex, oscilador en chip y circuitos de reloj. Además, el AT89C51 adopta un diseño de lógica estática, la frecuencia de funcionamiento se puede reducir a cero y admite dos modos de ahorro de energía seleccionables por software. El modo inactivo detiene la CPU mientras permite que la RAM, los temporizadores/contadores, los puertos serie y el sistema de interrupción continúen ejecutándose. El modo de apagado guarda el contenido de la RAM pero congela el oscilador, desactivando todas las demás funciones del chip hasta el próximo reinicio del hardware.
Descripción del pin
VCC: tensión de alimentación.
GND: Tierra.
Puerto 0:
El puerto 0 es un puerto de E/S bidireccional de drenaje abierto de 8 bits.
Como puerto de salida, cada pin puede recibir 8 entradas TTL. Cuando se escribe un 1 en los pines del puerto 0, estos pines se pueden utilizar como entradas de alta impedancia. El puerto 0 también se puede configurar para multiplexar el bus de datos/direcciones inferior durante los accesos a la memoria externa de programas y datos. En este modo, P0 tiene una resistencia pull-up interna. El puerto 0 también recibe bytes de código durante la programación Flash y genera bytes de código durante la verificación del programa. Se requiere un pull-up externo durante la verificación del programa.
Puerto 1
El puerto 1 es un puerto de E/S bidireccional de 8 bits con una resistencia pull-up interna. El búfer de salida del puerto 1 puede aceptar/proporcionar cuatro entradas TTL. Cuando se escribe 1 en los pines del puerto 1, las resistencias pull-up internas los elevan y pueden usarse como entradas. Como entrada, el pin del puerto 1 que se baja externamente consumirá corriente (IIL) debido al pull-up interno. Durante la programación y verificación flash, el puerto 1 también recibe los bytes de dirección inferiores.
Puerto 2
El puerto 2 es un puerto de E/S bidireccional de 8 bits con una resistencia pull-up interna. El búfer de salida del puerto 2 puede aceptar/proporcionar cuatro entradas TTL. Cuando se escribe un 1 en los pines del puerto 2, las resistencias pull-up internas los elevan y pueden usarse como entradas. Como entrada, el pin del puerto 2 que está bajado externamente consumirá corriente debido al pull-up interno. El puerto 2 emite el byte de dirección superior cuando recupera datos de la memoria de programa externa y accede a la memoria de datos externa utilizando direcciones de 16 bits. En esta aplicación, cuando se emite un 1, se utiliza un fuerte pull-up interno. Durante un acceso a la memoria de datos externa usando una dirección de 8 bits, el Puerto 2 emite el contenido del Registro de Función Especial P2. Durante la programación y verificación flash, el puerto 2 también recibe bits de dirección de alto orden y algunas señales de control.
Puerto 3
El puerto 3 es un puerto de E/S bidireccional de 8 bits con una resistencia pull-up interna. El búfer de salida del puerto 3 puede aceptar/proporcionar cuatro entradas TTL. Cuando se escribe 1 en los pines del puerto 3, las resistencias pull-up internas los elevan y pueden usarse como entradas. Como entrada, el pin del puerto 3 que se baja externamente consumirá corriente (IIL) debido al pull-up. El puerto 3 también proporciona varias características especiales del AT89C51, que se enumeran a continuación:
El puerto 3 también recibe algunas señales de control para programación y verificación flash.
Tecnología de almacenamiento rápido de Intel
Restablecer entrada. Mantener este pasador en alto durante dos ciclos de la máquina mientras el oscilador está funcionando reinicia el dispositivo.
ALE/PROG
Pulso de salida de habilitación de bloqueo de dirección, utilizado para bloquear el byte de orden inferior de la dirección durante el acceso a la memoria externa. Este pin también es la entrada de pulso de programación (PROG) durante la programación Flash. En funcionamiento normal, ALE emite a una velocidad constante de 1/6 de la frecuencia del oscilador y se puede utilizar para fines de sincronización o sincronización externa. Sin embargo, tenga en cuenta que se omite un pulso ALE cada vez que se accede a la memoria de datos externa.
Si lo desea, la operación ALE se puede desactivar configurando el bit 0 de la ubicación SFR 8EH. Cuando se establece este bit, ALE está activo solo durante las instrucciones MOVX o MOVC. De lo contrario, el pasador se levanta débilmente. Si el microcontrolador está en modo de ejecución externa, configurar el bit de desactivación ALE no tiene ningún efecto.
PSEN
La activación del almacenamiento del programa es una luz estroboscópica de lectura a la memoria externa del programa. Cuando el AT89C51 ejecuta código desde la memoria de programa externa, PSEN se activa dos veces por ciclo de máquina, excepto que se omiten dos activaciones de PSEN en cada acceso a la memoria de datos externa.
Asia Oriental/VPP
El acceso externo está habilitado. EA debe estar vinculado a GND para permitir que el dispositivo obtenga código de ubicaciones de memoria de programa externas desde 0000H hasta FFFFH. Sin embargo, tenga en cuenta que si se programa el bit de bloqueo 1, el EA se bloqueará internamente al restablecerse. EA debe incluirse con VCC para ejecutar procedimientos internos. Para dispositivos que requieren VPP de 12 V, este pin también recibe el voltaje de habilitación de programación (VPP) de 12 V durante la programación flash.
XTAL1
Entrada al amplificador del oscilador inversor y entrada al circuito operativo del reloj interno.
XTAL2
Salida del amplificador del oscilador inversor.
Características del oscilador
XTAL1 y XTAL2 son la entrada y la salida, respectivamente, de un amplificador inversor que se puede configurar para funcionar como un oscilador en chip, como se muestra en la Figura 1. Se pueden utilizar cristales de cuarzo o resonadores cerámicos. Para controlar el dispositivo desde una fuente de reloj externa, se debe dejar XTAL2 desconectado y controlar XTAL1 como se muestra en la Figura 2. No hay requisitos sobre el ciclo de trabajo de la señal del reloj externo ya que la entrada al circuito del reloj interno se realiza a través de un flip-flop dividido por dos, pero se deben cumplir las especificaciones de tiempo alto y bajo de voltaje mínimo y máximo.
Figura 1. Conexiones del oscilador Figura 2. Configuración del controlador de reloj externo
Estado inactivo
En el modo inactivo, la CPU entra en suspensión mientras todos los periféricos del chip permanecen activos. Este modo es llamado por software. En este modo, el contenido de la RAM del chip y todos los registros de funciones especiales permanecen sin cambios. El modo inactivo puede finalizar mediante cualquier interrupción habilitada o reinicio de hardware. Cabe señalar que cuando el estado inactivo finaliza mediante un reinicio del hardware, el dispositivo generalmente reanuda la ejecución del programa desde donde fue interrumpido hasta dos ciclos de la máquina más tarde antes de que el algoritmo de reinicio interno comience a tomar el control. En este caso, el hardware del chip desactiva el acceso a la RAM interna, pero no a los pines del puerto. Para eliminar la posibilidad de escrituras accidentales en los pines del puerto cuando se finaliza la inactividad mediante un reinicio, las instrucciones que siguen a la instrucción que llama a Idle no deben ser instrucciones que escriban en las pines del puerto o en la memoria externa.
Modo de ahorro de energía
En el modo de apagado, el oscilador deja de funcionar y la instrucción que llama al apagado es la última instrucción ejecutada. La RAM en el chip y los registros de funciones especiales conservan sus valores hasta que finaliza el modo de apagado. La única forma de apagarlo es reiniciando el hardware. Restablecer redefine sfr pero no cambia la RAM en el chip. El reinicio no debe activarse hasta que VCC haya regresado a su nivel operativo normal y debe permanecer activado el tiempo suficiente para permitir que el oscilador se reinicie y se estabilice.
Bits de bloqueo de memoria de programa
Hay tres bits de bloqueo en el chip, que pueden dejarse sin programar (U) o programarse (P) para obtener las funciones adicionales que se enumeran en la siguiente tabla. .
Cuando se programa el bit de bloqueo 1, el nivel lógico del pin EA se muestrea y se bloquea durante el reinicio. Si el dispositivo se enciende sin un reinicio, el pestillo se inicializa a un valor aleatorio y permanece en ese valor hasta que se activa el reinicio. Para que el dispositivo funcione correctamente, el valor bloqueado de EA debe ser consistente con el nivel lógico actual del pin