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Este documento describe el diseño y desarrollo de una placa electrónica que controla la velocidad de un ventilador utilizando un microcontrolador PIC. La placa incluye un sensor de velocidad, display LCD, circuitos de alimentación y programación, y permite controlar la velocidad del ventilador mediante pulsadores. El documento explica el diseño del circuito, la asignación de footprints, el layout de la placa, la programación del PIC y las pruebas realizadas.
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- 1. Escuela politécnica superior de Alcoy VVCMP Velocidad del Ventilador Controlada con el microcontrolador PIC Componentes del Grupo del Trabajo § Raúl Fauli Bonell § Daniel Nac-il Chung Yoon § Jose Javier Melere Montero Profesores de apoyo § Nacho Miró Orozco -> Profesor de LSED § Juan Ramón Rufino -> Profesor de SED y SAD 1
- 2. Indice Indice..................................................................................................2 VVCMP ...............................................................................................3 Velocidad del Ventilador Controlada con el microcontrolador PIC ........................ 3 Capture ..............................................................................................4 La alimentación: ....................................................................................................... 4 El programador:........................................................................................................ 4 El cristal y el condensador de desacoplo:................................................................. 5 Dlisplay LCD:........................................................................................................... 5 PIC y pulsadores:...................................................................................................... 6 Optotriac: .................................................................................................................. 6 Footprint ............................................................................................7 Resistencias y Diodos:.............................................................................................. 7 Condensadores y transistores:................................................................................... 8 LEDs y Fotodiodos:.................................................................................................. 8 Conectores: ............................................................................................................... 8 Integrados, PIC (40 pines) y OPTOTRIAC (6 pines): ............................................. 9 Conector bus 10 pines y jumper: .............................................................................. 9 Rectificadores de tension y Pulsadores: ................................................................... 9 Display LCD y Potenciometro.................................................................................. 9 Componentes no eléctricos (Ventilador y Tornillos): ............................................ 10 Layout .............................................................................................. 11 Ordenación de los componentes:............................................................................ 11 Enrutar: ................................................................................................................... 12 Detalles finales: ...................................................................................................... 13 Capas a imprimir: ................................................................................................... 14 Soldar ............................................................................................... 15 Programa ......................................................................................... 16 Sensor .............................................................................................. 17 Circuito del sensor:................................................................................................. 17 Adquisición de datos: ............................................................................................. 17 2
- 3. VVCMP Velocidad del Ventilador Controlada con el microcontrolador PIC Creación de una placa que regula la potencia suministrada a un ventilador y que calcula las rpm que efectua el ventilador, explicacion de su montaje, desde el propio diseño de la placa hasta la programación del PIC 3
- 4. Capture Dentro del Pack Orcad 9.2. está la herramienta Capture que es el progr ama que utilizaremos para indicar todas las conexiones entre los elementos. Antes de nada se debe tener bien claro todas las partes y funcionalidades de nuestro circuito. La alimentación: De la alimentación hay que destacar J3 y J4 son las entradas de banana, son los encargados de alimentar la placa a unos 18 voltios, este voltaje pasará por U2 y obtendremos a su salida V12, los 12 voltios necesarios para el ventilador. Estos 12 pasaran por U1 y a la salida tendremos Vcc y Vdd, voltajes a 5 voltios que junto al plano de mas alimentaran todos los componentes, si la placa esta bien alimentada el led verde nos lo indicaría. Diferenciamos la toma tierra con la masa a trabes de una resistencia de 0 ohmios. El programador: El programador es el circuito junto con la placa de programación que se unira a través de un bus de 10 pistas a J2 son necesarios para meter nuestro programa al PIC. Las salidas RB6 y RB7 irán conectadas al PIC. 4
- 5. El cristal y el condensador de desacoplo: El condensador de desacoplo es para mayor seguridad a la hora de alimentar al PIC, y el cristal es el encargado de proporcionar la frecuencia de reloj al PIC, en este caso utilizaremos un cristal de 20 Mhz. Ambos circuitos deben estar próximos al PIC, es una de las cosas que debemos tener claras a la hora de empezar con el Layout Dlisplay LCD: En el display es donde mostraremos los resultados obtenidos, el que hemos utilizado es de 16 pines 14 de datos que conectaremos al puerto D, el de masa y el de alimentación que irá regulado por un potenciómetro para darle mayor o menor iluminación. 5
- 6. PIC y pulsadores: El PIC es lo más importante de nuestro circuito puesto que todas las partes van conectadas a sus pines. En librerías del capture hay varios pulsadores (SW), pero el que nosotros compramos tenia 4 pines con lo que nos daba error para pasar el diseño al Layout, optamos por poner un conector universal de 4 pines que se utilizan para casos en los que no tenemos una librería para dicho componente, simplemente nos tenemos que fijar en el footprint que le asociamos. Optotriac: Con el optotriac podremos controlar mediante una salida del PIC la potencia que queramos darle al ventilador (CON3) Sensor: El sensor se trata de dos fotodiodos de infrarojos, el blanco es el emisor y el azul el receptor quien le dará la señal al PIC, entre ellos se debe colocar las aspas del ventilador 6
- 7. Footprint Dentro del Capture debemos modificar de todos los componentes la propiedad footprint, es la encargada de asignar el tamaño real de todos los componentes, naturalment e antes de nada debemos comprarlos . Una vez comprados con el Layout dentro Tools à Library Manager buscaremos y comprobaremos en las librerías los footprint de todos los componentes Resistencias y Diodos: Puesto que todas las resistencias son del mismo tamaño, igual que con los diodos, con un simple footprint para todos es suficiente. 7
- 8. Condensadores y transistores: A diferencia que antes en estos si que según el valor cambian de tamaño. LEDs y Fotodiodos: De los leds hay que fijarse en que la parte tallada es el catodo, los fotodiodos deben estar tumbado mirándose para detectar cuando una aspa del ventilador pasa por en medio. Conectores: 8
- 9. Integrados, PIC (40 pines) y OPTOTRIAC (6 pines): Conector bus 10 pines y jumper: Rectificadores de tension y Pulsadores: Display LCD y Potenciometro 9
- 10. Componentes no eléctricos (Ventilador y Tornillos): De Estos componentes no son importante ahora para el footprint del orcad, pero si que son necesarios una vez en el Layout, le indicaremos ne w à component y le modificaremos la propiedades de non-electric activada. 10
- 11. Layout Una vez asignados todos los footprints a los componentes, en tools à Create netlist, abilitar la casilla pulgadas (inches) y aceptar, lo más seguro es que nos salgan algunos errores como que no concuerdan los números de pines. Una vez resueltos esos pequeños fallos, se creara un nuevo archivo con extensión *.MNL, con Layout seleccionando new abriremos el archivo MNL y creara un archivo *.MAX Ordenación de los componentes: Layout te pone los componentes todos en una fila es muy importante la colocación antes de enlutar. Como ya hemos dicho el condensador de desacoplo, y el cristal deben estar proximos al PIC. Muy importante también es hacer grupos según las partes, el programador , la alimentación , … Puesto que todos los elementos van al PIC, dejaremos el PIC en el centro e iremos buscando la mejor colocación para el resto de grupos 11
- 12. Enrutar: A la hora de enrutar nos puede venir de ayuda el Auto à Autorute pero no es suficiente, habrá que ingeniárselas para poder hacerlo sin ningún puente, para ello hay una serie de teclas directas de gran ayuda: R à Girar componentes B à Selecciona la region de la parte que quieras modificar M à Minimizar conexiones, selecciona funciona mejor si seleccionas toda una parte W à Editar ancho de la pista que quieras colocar (para hacer tramos más estrechos) Otras cosas a tener en cuenta es el ancho predeterminado de las pistas y la separacion entre ellas Route – Spacing : 20 20 10 30 30 20 Nets: min 20, con 30, max 40 Layers: La única Routing: BOTTOM, las demás UNUSED 12
- 13. Detalles finales: Ya estan todas las pistas enrutadas ahora tan solo nos faltan unos ultimos detalles: à Las lineas de alimentación deben deben ser de ancho 40 à Colocar un marco de ancho 5 en las capas 0, 2, 23 (shift 23) à Colocar el nombre del grupo, y recordar darle la vuelta (mirror) à Todo Route-spacing a 40, antes plano de masa. à Plano de masa, seleccionado obstacle tool, new – properties –Cooper poor – GND 13
- 14. Capas a imprimir: FOTOLITO: capa 2 COMPONENTES: capa 23 (shift3) 14
- 15. Soldar Este es el resultado del fotolito una vez ya insolado, ahora tansolo falta soldar y comprobar fallos Haremos todos los agujeros a 0.7 mm que es el tamaño más pequeño de los componentes, y luego iremos viendo que componentes no caben, las tuercas estan a 2.3 mm y los conectores banana a 3.5 mm Para soldar lo mejor es calentar la pista que queremos estañar y acercar el estaño para echarle una gotita teniendo cuidado con las demás pistas. 15
- 16. Programa Nuestra placa tiene como misión realizar una medición de velocidad de un ventilador a su vez que controlar la velocidad del ventilador. Para ello utilizamos un PIC 16F877 que se encargara de recoger la señal del sensor y con los debidos cálculos hallar la velocidad a la que este funcinando el ventilador en ese momento. La ota tarea será que mediante unos pulsadores sea capaz de regular la velocidad del ventilador adaptando la salida que regula a un circuito qu permita un mayor voltaje puesto que el PIC solo trabaja a 5 voltios. A continuación se enumeran las partes mas importantes del programa: PWM la función pwm nos permite regular la potencia ; esto se consigue dejando durante un periodo una parte del tiempo salida a 1 y otra parte del tiempo a 0 siendo mayor la potencia cuanto mayor tiempo permanezca en un periodo a nivel alto TIMER1 Del timer1 aprovechamos su función de contador para que cada milisegundo se produzca una interrupcion y si se produce un cambio `por flanco de subida suma 1 al contador. De esta forma contablilizamos todas las veces que pasa algo entre los dos fotodiodos. TIMER2 Se producira cada milisegundo una interrupción pero no nos interesa que sea tan rapida por lo que ponemos unas condiciones para que se produzca una cada 100 milisegundos, la cuál lee el valor de entrada de unos pulsadores que suben o bajan la potencia con el PWM ; la otra se producira cada segundo y calculara la diferencia en el contador que habia un segundo atras y la de ahora, lo que será igual a las aspas que han pasado en un segundo 16
- 17. Sensor Circuito del sensor: Aqui podemos observar el circuito del sensor; está el emisor que tiene una resistencia para que no llegue mas corriente de la necesaria al led emisor, el cual siempre estará iluminando. Al otro lado el circuito receptor que tien un fotodiodo que deja pasar corriente en el sentido del palito cuando incide luz sobre conectando por tanto la masa a la salida, y cuando no incide luz es Vcc la que queda conectada a la salida separada por una resistencia. Adquisición de datos: En estas imagenes podemos ver una prueba que hicimos donde se observa que se producen unos cuando algo se interpone entre los fotodiodos emisor y receptor . Para adaptar la señal colocamos una resistencia antes del PIC con lo que conseguimos una señal lo más cuadrática posible. 17
- 18. Al incidir el haz de luz ultravioleta la tensión de la salida es aproximada a 0, y cuando no incide a 5 V, este es el resultado obtenido del osciloscopio, al colocar el ventilador en marcha entre los fotodiodos. El resultado final, hemos podido comprobar que el PIC puede captar un haz de luz de 0.5 milisegundos 18
- 19. 5 4 VCC D2 V12 R13 10k 1 R4 Sensor PWM 1 D D3 D4 220 LED D Q1 OPTOACOPLADOR 2 4 LED J1 GND 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 DD7 DD6 DD5 DD4 DD3 DD2 DD1 DD0 LCD-E LCD-R/W LCD-RS CON3 U3 VPP VDD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C6 C 100n LCD-RS LCD-R/W LCD-E RB7/PGD RB6/PGC RB5 RB4 RB3/PGM RB2 RB1 RB0/INT CLKIN 13 CLKOUT 14 SENSOR 15 16 CLKIN PWM 17 18 DD0 19 DD1 20 C8 10M 20M C7 18p B OSC/CLKIN OSC2/CLKOUT RCO/T1OSO/T1CK1 RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RD0/PSP0 RD1/PSP1 40 39 38 37 36 35 34 33 RB7 RB6 RD7/PSP7 RD6/PSP6 RD5/PSP5 RD4/PSP4 RC7/RX/DT RC6/TX/CK RC5/SDO RC4/SDI/SDA RD3/PSP3 RD2/PSP2 MCLR/Vpp RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VrefRA3/AN3/Vref+ RA4/TOCK1 RA5/AN4/SS RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7 R1 CLKOUT 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 DD7 DD6 DD5 DD4 VCC J6 1 3 R5 2 4 J4 1 3 R2 2 4 4k7 Pulsador4_1 VCC VDD R15 DD3 DD2 4k7 R8 D1 1 C4 IN OUT 100n VDD C5 10K 100n D5 + + + + + + + + + + 2 4 6 8 10 VPP VDD VSS DATA CLK C1 100n R10 J9 100 1 RESET B RB7 100 R11 ICSP LED 10u CON3 1 3 5 7 9 R14 3 LM7805 2 LM7812 C2 3 VCC GND 1N4004 OUT J2 U1 2 IN C 2 V12 GND U2 1 J8 3 2 1 R7 10k Pulsador4_2 J7 1N4148 D6 + R6 4K7 PIC16F877 18p 1 VDD 4k7 GND J3 LCD DISPLAY DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 E R/W RS VO VDD VSS R3 220 2 5 VCC 3 RB6 100 1 A 0 R12 - GND 5 4 A VSS 3 2 1