Usted no sabe lo que es un microcontrolador y quiere saber un poco acerca de este componente para poder empezar a usarlo, la elección de una familia y para después hacer un curso necesita saber exactamente lo que estos dispositivos hacen. En esta serie de artículos introductorios, ideal para aquellos que quieren empezar, tiene conocimientos básicos de la electrónica, nos mostrará lo que es un microcontrolador, lo que hace, cómo funciona, cómo programar y los principales tipos que se pueden encontrar en el mercado. En particular, se recomienda tipos de familia enorme que se pueden comprar en Mouser Electronics (WWW.mouser.com) donde extensa bibliografía adicional sobre el tema se puede encontrar.
Antes los conjuntos electrónicos que podrían ser utilizados en todas las aplicaciones, incluyendo la Mecatrónica fueron basados en componentes individuales (discretos) y finalmente en varios circuitos integrados aplicando funciones separadas.
Sin embargo, la electrónica evolucionada y con el advenimiento del microprocesador y microcontrolador pasó por una nueva fase de la tecnología de montaje que simplifica diseños y montajes y, además, les hace mucho más potente y compacto.
En Mecatrónica y muchos asociados de aplicaciones como robótica, internet de las cosas (IoT), usables, etc. que microcontroladores ocupan una posición prominente como el 'cerebro' de los circuitos, porque reúnen las funciones de inteligencia, memoria y control en un espacio muy pequeño.
Por lo tanto, cuando pasamos los diseños didácticos y experimentales simples, como las utilizadas en los cursos de tecnología (STEM) para un paso siguiente, la inclusión del microcontrolador no puede dejarse a un lado.
Por esta razón, hemos incluido en nuestro libro de texto, información básica sobre el uso de microcontroladores en proyectos de Mecatrónica, con énfasis en cómo se utiliza.
No podemos avanzar mucho porque, más que componentes simples, los microcontroladores deben satisfacer una multitud de características y comportamientos y pueden encontrarse en una amplia variedad de tipos y formas que difieren de lo que pueden hacer y donde puede ser utilizados.
Por lo tanto, este capítulo sirve como una orientación básica a aquellos que pretenden usar microcontroladores en Mecatrónica y proyectos de robótica, inteligencia artificial y interesados en profundizar en el estudio de los tipos cubiertos por literatura apropiada.
¿Qué es un microcontrolador?
El circuito integrado nos trae la idea de que es posible reunir en un solo contenedor o un componente de circuito completo que realiza una función determinada. Por ejemplo, contamos con circuitos integrados que realizan funciones de amplificadores, reguladores de voltaje, funciones lógicas, etc. (Figura 1)
Sin embargo, cada tipo de circuito integrado tiene una función única que está determinada por el diseño de los componentes en su interior y sus conexiones en el momento que se fabrican.
La idea del microcontrolador es un poco diferente. Haciendo un solo chip un conjunto de circuitos que en principio no tiene ninguna función.
Sin embargo, tiene características que le permiten ser programados para realizar alguna función.
Las funciones básicas son para control. Utilizamos microcontroladores para circuitos de control de información que pasamos a él.
Podemos controlar un ventilador, un sistema de apertura de puertas, los movimientos de un robot utilizando un microcontrolador programado en cada caso a la función correspondiente.
La idea no es nueva. Haber surgido varias familias de microcontroladores desde su aparición, cada uno con características que dependen de su fabricante y la finalidad a que estén destinados.
Para una aplicación en que espacio y el consumo no es importante, podemos tener un "gran" circuito sin problemas, pero para una aplicación móvil, un abejón, por ejemplo, el consumo y el tamaño son importantes.
¿Qué es un microcontrolador?
Un microcontrolador es un circuito integrado que tiene el mismo aspecto de los circuitos integrados más comunes, posiblemente con más pines, dependiendo de la complejidad de su propósito.
Muchos tipos comunes, como se muestra en la figura 2 están disponibles en envoltorios DIL.
Sin embargo, estos microcontroladores no se pueden utilizar sin una programación y deben ser montados en las placas correspondientes. Su programación se realiza con la conexión en un computador.
Del mismo modo, la placa también proporciona la conexión a los circuitos que deben controlar y los circuitos que proporcionarán la información para el control, como sensores, interruptores, teclados externos, etcétera.
En la práctica, uso el microcontrolador de esta manera es no muy cómodo, ya que requiere la preparación de la placa, que en algunos casos puede ser problemática si los microcontroladores son de tipos que están diseñados para montaje en superficie, con reducido tamaño, como se muestra en la figura 3.
Este tipo de microcontrolador, con cubierta reducida, destinado más a las aplicaciones industriales en las aplicaciones en las que se utilizarán son ensamblados por las máquinas.
Mucho más simple utilizar el microcontrolador, sobre todo en diseños experimentales, con fines didácticos o aplicaciones aisladas (que no industrializadas) es a través de placas listas.
Son microcontroladores que están montados en placas pequeñas que ya tienen todas las características para la programación a través de un solo cable y conectores para conectar los circuitos que deben ser controlados, o sensores y dispositivos de control, naturalmente la fuente de alimentación.
Estas placas, en muchos casos tienen un circuito propio de la fuente para que la aplicación externa se puede hacer con una buena gama de tensión como veremos.
En la figura 4 es un ejemplo de placa de microcontrolador, uno de los más populares, que es fácil de usar y ofrece una multitud de aplicaciones en Mecatrónica, robótica, automatización, IoT, etcétera. Hablamos de la placa más adelante.
Para mejor comprender cómo funciona el microcontrolador y su placa será interesante analizar su estructura interna dada en la figura 5.
El bloque más importante es la unidad Central de procesamiento o CPU (Unidad Central de procesamiento) que consiste en un procesador capaz de realizar operaciones lógicas con señales digitales.
Podemos decir que este es el "cerebro" del microcontrolador, como se puede realizar cálculos y procesar la información lógicamente. La CPU hace esto a través del programa sí mismo.
Así, como en el caso de los procesadores utilizados en computadoras, microcontroladores entienden solamente la lengua que se proveen en una forma digital y puede procesar la información usando sólo lo que ellos "saben".
Lo que saben es dada por un conjunto de instrucciones (conjunto de instrucciones) que reconocen cuando llega la información.
Así que si en nuestro programa de control dicen que la CPU debe añadir la temperatura leída por un sensor de temperatura leída por otro. Los valores deben enviarse en formato digital para la CPU y ella debe saber qué añadir.
Los microcontroladores tienen dos memorias.
La memoria sirve para almacenar las instrucciones o programa que dicen lo que el microcontrolador debe hacer, por ejemplo, agregar los sensores de dos temperaturas en ciertas condiciones, si los valores de temperatura coinciden con nada encendido o apagado, etcétera.
En un Usable controla una cadena de LEDs que produce un efecto, esto es en la memoria que está programado.
El tamaño de estas memorias varía según el propósito y el tipo de microcontrolador. Por lo tanto, al elegir un tipo para las aplicaciones el diseñador debe conocer cuál es lo mejor para esta función.
Estas son memorias de tipo EEPROM o Flash, es decir, la memoria que conserva la información aun cuando el microcontrolador está apagado y puede ser reprogramado cuando nos conectamos a un ordenador para programar una nueva aplicación.
En memoria de datos están la información que el microcontrolador va cosechar durante su operación, por ejemplo, las lecturas de los sensores, para ser utilizado cuando sea necesario.
Otro bloque importante a analizar es los temporizadores o temporizadores.
Muchas de las funciones desempeñadas por los microcontroladores requieren el uso de intervalos de tiempo precisos. Enlazar una clave cada poco segundo, leer un sensor de temperatura o posición cada 5 segundos. Para ello hay un bloque de programación especial en que esto se puede hacer.
El microcontrolador es muy rápido de procesamiento determinado por el "reloj". Este reloj funciona las operaciones que pueden llegar a miles o millones por segundo.
Con la ayuda del reloj, utilizando la señal de reloj puede obtenerse mucho más lento el control ciclos.
Las puertas son en el siguiente bloque de la estructura básica que consiste en que el microcontrolador tiene que comunicar con el mundo exterior, es decir, en su interfaz con el mundo exterior.
Puertas de entrada/salida (i/o = entrada/salida) se accede a través de circuito integrado microcontrolador por pinos y los conectores de las tarjetas donde podemos hacer enlaces de circuitos externos, tal como se muestra en la figura 6.
En muchos microcontroladores (para ahorrar pines) pueden utilizarse los mismos pines para entrada y salida. Un comando integrado, dice el momento en el que funcionan como entrada y el tiempo que funcionan como salida.
En la figura 7 es un ejemplo de donde el mismo microcontrolador pinos pueden utilizarse como entrada y como salida.
En la entrada podemos conectar diferentes tipos de circuitos, pero deben tener características que permiten que el microcontrolador entienda las señales que proporcionan.
Así, tenemos las entradas digitales que son las entradas en que deben ser aplicadas señales compatibles con el microcontrolador c, es decir, las señales TTL o CMOS, en la mayoría de los casos de 5 V (también hay circuitos que operan con señales de 3.3 V)
En la figura 8 tenemos un sensor digital.
También podemos conectar sensores simples del tipo sí o no u On/Off como las llaves que tienen niveles lógicos 0 y 1.
A las entradas analógicas pueden conectar sensores o circuitos que proporcionan las señales que corresponden a un cierto rango de voltajes que el microcontrolador debe reconocer.
Ver que el procesador no reconoce valores analógicos de circuito, por lo que estas entradas pasan a un convertidor de analógico a la digital (ADC) que transforma la información analógica en digital.
En el microcontrolador, todo lo que se trata en forma digital.
Cuando se utilizan las entradas analógicas de un microcontrolador, que el diseñador debe saber cuál es el rango de voltaje que puede aplicarse, sin riesgo de daño al circuito.
En cuanto al reconocimiento de la tensión aplicada, depende sólo de la programación.
Para las puertas de salida, también es importante saber qué tipo de señales podemos encontrar.
Las señales encontrados son digitales, es decir, pulsos o niveles lógicos donde el HI está dada por 5 V. (Figura 9) o se da por una tensión de 0 V (LO).
La corriente disponible en estas salidas es baja, permitiendo que sólo los dispositivos de baja potencia tales como LEDs sean conectados directamente.
Para utilizar estas señales para controlar circuitos de mayor consumo deben usar circuitos intermedios o controladores, conocidos como "shields" o placas con componentes que pueden ser directamente controlado llamado breakout boards (Figura 10).
En la figura 11 tenemos un ejemplo de cómo utilizar un microcontrolador para generar efectos secuenciales en sus salidas.
Simplemente conecte las salidas de los escudos que controlan las lámparas de LEDs que funcionan produciendo los efectos deseados.
Microcontroladores bajo consumo y muy pequeños son ampliamente utilizados en secuencias de LEDs como decoraciones de la Navidad.
PWM
Una de las principales aplicaciones de los microcontroladores está en control de motores.
Como hemos visto en otros artículos de este sitio, el control PWM es especialmente importante para su mejor característica de funcionamiento y mantenimiento del esfuerzo de torsión.
Así, los microcontroladores más comunes tienen salidas de PWM, es decir, salidas que pueden ser programados para proporcionar PWM para el control de in motor.
En la práctica ellos no pueden conectarse directamente a un motor, porque su corriente es muy baja, pero puede utilizarse para el control shields capaces de soportar la alta corriente de un motor DC.
En la figura 12 ejemplo de shield de control motor de C.C. con PWM con una puente H que también es posible invertir su dirección desde el microcontrolador.
Otros recursos pueden encontrarse en muchas familias de microcontroladores para aplicaciones específicas, tales como transmisores y receptores para recibir señales de radio (Wi-Fi) y más.
Arquitectura
Los diferentes circuitos que forman un microcontrolador se arreglan de maneras bien determinados y existen variaciones a esta. La forma de los diferentes circuitos interconectados y su operación ocurre, se denomina la "arquitectura" del microcontrolador.
La mayoría de los Microcontroladores utiliza dos tipos principales de arquitectura en sus placas: RISC y Harvard.
RISC es Reduced Instruction Set Computer (computadora con conjunto reducido de instrucciones). En este tipo de arquitectura, el microcontrolador realiza todo con unas pocas instrucciones básicas que se combinan según lo que usted quiere que haga.
El Uso de algunas instrucciones en una arquitectura RISC hace el microcontrolador demasiado rápido, porque cada uno de ellos puede realizarse normalmente en el ciclo de un clock.
Por otro lado, en la arquitectura del RISC existe la CISC (Complex Instruction Set Computer o computadora con instrucción compleja) que utiliza
una gran cantidad de instrucciones para operar. Estos equipos son más potentes, pero más lentos porque necesitan varios ciclos de clock para ejecutar algunas instrucciones. (Figura 13)
Instrucciones y Clock
Las instrucciones son las órdenes que el microcontrolador cumple en su operación función haciendo algo. El clock es la velocidad de operación del microcontrolador. Un oscilador de clock determina la velocidad con que funciona el microcontrolador.
El otro tipo de arquitectura utilizada en microcontroladores es la de Harvard.
En la Arquitectura de Harvard, tanto el programa como los datos pueden ser almacenados en el mismo espacio de memoria, lo que facilita la operación de los circuitos de entrada y de salida, pero usan barramentos diferentes, es decir, separan los circuitos de entrada y salida.
Von Neumann
Las primeras computadoras utilizaban un tipo de arquitectura llamada a Von Neumann, el nombre en homenaje a su creador, uno de los pioneros de la construcción de computadores. En este tipo de arquitectura, cada instrucción sólo podría ser ejecutada después de la anterior. Los equipos de las arquitecturas más modernas son paralelos, es decir, dos o más instrucciones se pueden realizar al mismo tiempo, si una no depende de la otra.
