PROYECTO : Medidor ADC con Transmisión RS232 Infrarroja

por Santiago Villafuerte (Septiembre 2008)

Objetivo

Construir un circuito que mediante el uso de un microcontrolador PIC16 obtenga la medición de un voltaje y lo transmita vía infrarrojo a una interfaz RS232 de una computadora.

Operación del PIC

El PIC que se empleó es el PIC16F877A ya que cuenta con los periféricos que se necesitaban para la aplicación, siendo estos el temporizador de 8 bits, el generador de modulación de ancho de pulso (PWM), el convertidor analógico-digital de 10bits y el puerto serial RS232.

El oscilador del PIC es un cristal de 4MHz y su fuente de alimentación puede ser de 4V a 5.5V, siendo en el caso de la aplicación un paquete de baterías de 4.5V.

Configuración de las entradas y salidas del PIC

El PIC solo controla 5 de sus 33 terminales de entrada-salida. Las terminales empleadas son las siguientes: 

• Salida PWM a 38kHz -> RC2
• Salida TX RS232 -> RC6
• Entrada ADC -> RA0
• Entrada de referencias de voltaje ->RA3 (Vref+) y RA2 (Vref-)

La configuración de las demás terminales se dejó como entrada.

Configuración de la modulación por ancho de pulso (PWM)

El PWM se necesita en la aplicación para generar una señal de 38kHz como portadora de la transmisión de información por puerto serial. La señal debe ser de 38kHz debido a que el receptor infrarrojo TSOP1738 empleado solo demodula señales con tal frecuencia, entregándolas en niveles TTL. Esto se explicará más a detalle en la sección del circuito.

Para la configuración del PWM se utilizaron las siguientes fórmulas, las cuales se detallan en la hoja de características del pic. La frecuencia de trabajo requerida es de 38kHz y el periodo de trabajo requerido es del 50%.

 Donde:

El tiempo de trabajo del PWM que genera el PIC es de 10 bits, pero con la configuración que se propuso y el cálculo de la resolución se tiene que el máximo a utilizar es de  combinaciones, lo suficiente para expresar 16us en términos binarios (25d = 0x19 = 011001b).

Con los cálculos generados se tienen  y un .

Configuración del Timer 0

El timer 0 se emplea en la aplicación para generar retardos de 960ms. Se configuró el timer 0 para funcionar con una pre-escala de 1:256 y un desbordamiento de su registro de 8 bits cada 64ms, según se puede ver en la fórmula siguiente.

 Para lograr un tiempo total de 960ms solo se cuentan los desbordamientos del timer 0 por 15 veces.

Configuración del ADC de 10 bits

Se emplea el ADC del pic para medir el voltaje presente en la terminal A0 y posteriormente reportarlo vía infrarrojo.

La configuración del ADC empleada es la siguiente:

• Frecuencia de reloj del convertidor = F_osc / 32
• Canal de medición: RA0
• Terminales de referencia: RA3 como Vref+ y RA2 como Vref-
• Justificación de la conversión: Derecha (útil para 10 bits)

Configuración del puerto serial RS232

Se empleó el módulo USART del pic con las siguientes características:

• Velocidad de conexión: 2400bps
• Modo asíncrono (full-dúplex)
• Tamaño de palabra 8 bits
• Sin Paridad

El cálculo de la velocidad de conexión se realiza con la siguiente fórmula cuando la velocidad es baja (BRGH=0):

Los bits por segundo resultantes reales se obtienen de la siguiente forma:

El error entre la velocidad ideal y la real es de 0.1602%.

Circuito ADC y emisor

El circuito cuenta con un sensor de temperatura LM35 que entrega 10mV/°C, o bien, 100°C/V. Se conecta a un amplificador operacional LM324 configurado como amplificador no inversor con una ganancia de 4. El LM324 puede funcionar sin fuentes bipolares. Posteriormente se tiene un capacitor de 1uF que reduce el ruido a la entrada A0 del ADC.

El voltaje de referencia positivo del ADC en RA3 se obtiene mediante un diodo zener de 3.3V, y el voltaje de referencia negativo solo se conecta a tierra.

Se colocan unos capacitores de 1uF muy cerca de las terminales Vdd y Vss del pic para filtrar posible ruido inducido por la fuente de alimentación.

El ánodo del diodo emisor de luz infrarroja se conecta a una resistencia de 330W para limitar su corriente. Su cátodo se conecta a la salida de la transmisión RS232 (TX RC6). Una conexión de este tipo genera lo siguiente:

• Si CCP1 está en alto y TX en alto, el led no emite luz.
• Si CCP1 está en bajo y TX en alto, el led no emite luz.
• Si CCP1 está en alto y TX en bajo, el led emite luz.
• Si CCP1 está en bajo y TX en alto, el led no emite luz.

Cuando TX está en bajo, el led estará emitiendo luz infrarroja a 38kHz con la señal PWM de CCP1, es decir, tiene una lógica inversa. Esto resulta bastante útil porque el circuito receptor cuenta con un foto módulo TSOP1738 que funciona de la siguiente manera:

• Si TSOP recibe una señal infrarroja de 38kHz, entrega una salida de 0V.
• Si TSOP no recibe una señal infrarroja de 38kHz, entrega una salida de 5V.

Cuya operación también resulta ser de lógica inversa, y cuando recibe la información generada con el led infrarrojo la revierte quedando los voltajes en su lógica original.

Se eligió una velocidad de conexión serial de 2400bps ya que el fabricante del TSOP1738 lo maneja como la máxima velocidad posible en su hoja de características.

Circuito Receptor y RS232

El circuito empleado para la recepción emplea el módulo infrarrojo TSOP1738 y un MAX232N que adapta los voltajes TTL recibidos por el TSOP1738 a voltajes de ±8.5V, que son los necesarios para realizar una conexión con el puerto RS232 de una PC.

La comunicación realizada es solo de recepción de parte de la PC ya que no se implementó la transmisión hacia el pic.

Programa en ensamblador del PIC16F877A

A continuación se muestra el programa completo del pic, compilado con MPLAB 8.0.

                    LIST P=16f877a
                    __config     B'11111100111001'
;CRISTAL 4MHz
;FUSIBLES CONFIGURADOS EN MPLAB (CONFIG BITS)
;OSCILADOR XT, NO WDT, POWER UP TIMER, NO LVP, NO CODE PROTECT

                    include "p16f877a.inc"

;Santiago Villafuerte
;Septiembre 2008

;Programa que obtiene la medición de lo que esté conectado
;en la terminal RA0 mediante el ADC.
;Posteriormente toma los 10 bits que el ADC genera y
;los envía por el puerto serie TX.
;La transmisión infrarroja se logra generando una portadora de
;38kHz gracias al PWM y conectando un led emisor infrarrojo
;entre las terminales RC2 y RC6 con su resistencia de 330ohms.

;La recepción se hace en una computadora con puerto serie y
;conectando un MAX232 junto con un TSOP1738 para demodular la
;señal infrarroja, todo esto a una velocidad de 2400bps, que es
;el ancho de banda que recomienda el fabricante del TSOP1738

;TERMINALES

;Salida PWM a 38kHz -> RC2
;Salida TX -> RC6
;Entrada ADC -> RA0

;CALCULOS PWM

;f=38kHz
;Tpwm=26.3157us
;duty time= 13.1578us
;Tpwm=(PR2+1)4 Tosc PRtm2
;Tpwm=(25+1)(4)(1/4MHz)(1)=26us
;fpwm=1/26us=38.461kHz
;duty time=CCP Tosc PRtm2
;duty time=52(1/4MHz)(1)=13us
;Res=[log(4MHz/38.461KHz)/log 2]=6.7bit=6bit
;52d=0x34=110100b O.K.

;VARIABLES

CONTEO       EQU    0X20

            ORG 0X0000

;CONFIGURA ENTRADAS Y SALIDAS

;TRISC
                    BSF          STATUS,RP0          ;BANCO 1
                    MOVLW  B'10111011'         ;RC2 Y RC6 SALIDA
                    MOVWF  TRISC
;TRISA
                    MOVLW  B'11111111'         ;RA0 ENTRADA
                    MOVWF  TRISA
 
;CONFIGURA ENTRADAS ANALÓGICAS Y ADC

                    MOVLW  B'10001111'         ;JUST DER,F0SC/32,RA0 VREF +A3 Y -A2
                    MOVWF  ADCON1
                    BCF          STATUS,RP0          ;BANCO 0
                    MOVLW  B'10000001'         ;F0SC/32,CANAL A0,ADON
                    MOVWF  ADCON0

;CONFIGURA TIMER 0 PARA SUBRUTINA DE RETARDO

                    BSF          STATUS,RP0          ;BANCO 1
                    MOVLW  B'11010111'         ;T0CS INTERNO, TOSE ALTO A BAJO
                    MOVWF  OPTION_REG          ;PRESCALER EN TMR0 Y 1:256

;CONFIGURA PWM

                    MOVLW  D'25'
                    MOVWF  PR2
                    BCF          STATUS,RP0          ;BANCO 0
                    MOVLW  B'00001101'         ;DUTY = B'00001101 00'=52D
                    MOVWF  CCPR1L
                    MOVLW  B'00000100'         ;1:1 POST, TM2 ON, 1:1 PRE
                    MOVWF  T2CON              
                    MOVLW  B'00001111'         ;DUTY = B'00001101 00',PWM
                    MOVWF  CCP1CON

;CONFIGURA RS232

                    BSF          STATUS,RP0          ;BANCO 1
                    MOVLW  D'25'               ;25 GENERA 2403.84bps
                    MOVWF  SPBRG
                    BCF          TXSTA,SYNC          ;HABILITA MODO ASINC
                    BCF          STATUS,RP0          ;BANCO 0
                    BSF          RCSTA,SPEN          ;SERIAL PORT ACTIVADO
                    BSF          STATUS,RP0          ;BANCO 1
                    BSF          TXSTA,TXEN          ;HABILITA TRANSMISION
                    BCF          STATUS,RP0          ;BANCO 0

;ESPERA 3 SEGUNDOS APROX PARA QUE SE ESTABILICE EL ENCENDIDO

                    CALL   RETARDO
                    CALL   RETARDO
                    CALL   RETARDO 

;ENVIA NOMBRE POR TX

;                   MOVLW  D'9'                ;9 CARACTERES
;                   MOVWF  CONTEO
;LEETABLA    CALL   TABLA               ;COPIA LETRA
;TXBUF       BTFSS  PIR1,TXIF           ;VERIFICA SI PUEDE ESCRIBIR EN BUFFER
;                   GOTO   TXBUF
;                   MOVWF  TXREG
;                   DECFSZ CONTEO,F            ;SIG. LETRA
;                   GOTO   SIG2                ;TABLA PENDIENTE
;                   GOTO   SIG                        ;TABLA TERMINADA
;SIG2        MOVF   CONTEO,W
;                   GOTO   LEETABLA
;SIG         CALL   RETARDO

;TOMA LA MEDICION DE VOLTAJE EN RA0 Y LA ENVIA POR RS232

CICLO_INF    BSF          ADCON0,GO           ;INICIA MEDICION
AD_ESPERA    BTFSC  ADCON0,GO
                    GOTO   AD_ESPERA
                    BCF          PIR1,ADIF           ;LIMPIA BANDERA AD
                    MOVF   ADRESH,W            ;COPIA LOS 2 BITS MS DE LA MEDICION
                    MOVWF  TXREG
TXBUF2       BTFSS  PIR1,TXIF           ;VERIFICA SI PUEDE ESCRIBIR EN BUFFER
                    GOTO   TXBUF2
                    BSF          STATUS,RP0          ;BANCO 1
                    MOVF   ADRESL,W            ;COPIA LOS 8 LSb DE LA MEDICION
                    BCF          STATUS,RP0          ;BANCO 0
                    MOVWF  TXREG
                    CALL   RETARDO                    ;ESPERA 960ms
                    GOTO   CICLO_INF           ;CICLO INFINITO    

;///////////////////////////////////////////////////////////////

;SUBRUTINA DE TIEMPO DE 960ms

RETARDO             MOVLW  D'15'               ;15 X 64ms = 960ms
                    MOVWF CONTEO
CICLO        MOVLW D'06'               ;GENERA 64ms
                    MOVWF  TMR0
CICLO2       BTFSS  INTCON,T0IF         ;ESPERA EL DESBORDE
                    GOTO   CICLO2
                    BCF          INTCON,T0IF         ;LIMPIA BANDERA
                    DECFSZ CONTEO,F            ;BRINCA SI YA ES CERO
                    GOTO   CICLO
                    RETURN

;///////////////////////////////////////////////////////////////

;TABLA CON NOMBRE
;TABLA       ADDWF  PCL,F
;                   NOP
;                   RETLW  ' '
;                   RETLW  '0'
;                   RETLW  'G'
;                   RETLW  'A'
;                   RETLW  'I'
;                   RETLW  'N'
;                   RETLW  'A'
;                   RETLW  'S'

                    END
 

Programa del Receptor en Visual Basic

El programa fue hecho en Visual Basic 6 SP5. La interfaz con el usuario es la siguiente:

El programa recibe 2 bytes en el puerto COM1 ya que el ADC del pic está operando con resolución de 10 bits. El cálculo del valor entero resultará en un valor que va de 0 hasta 1023, siendo 0 el equivalente al voltaje de referencia negativo y 1023 el equivalente al voltaje de referencia positivo.

La conversión de los valores ASCII recibidos como cadena se logra con el código siguiente:

binario = (Asc(bin_msb) * 256) + (Asc(bin_lsb)) 'calcula de 0 a 1023

Siendo bin_msb el byte más significativo y bin_lsb el byte menos significativo de la conversión ADC. El byte bin_msb solo contiene 2 bits de importancia (bit 1 y bit 0) y el byte bin_lsb contiene 8, siendo en total los 10 bits de la conversión. Los 2 bits más significativos se multiplican por 256 y posteriormente se suma el contenido del byte menos significativo para obtener la medición.

La conversión a voltaje a partir de la medición en binario se realiza con la siguiente fórmula:

Por ejemplo, si se recibe 292 como medición, el voltaje de referencia positivo es 3.5V y el negativo es de 0V, la conversión entregará lo siguiente:

Posteriormente solo se hace una conversión entre unidades de ingeniería y su equivalente en V, según el sensor que se esté empleando.

El código fuente de la forma usada en Visual Basic se muestra a continuación:

'Santiago Villafuerte
'Programa que recibe una cadena pequeña con la conversión ADC
'de un PIC a través del puerto serial a 2400bps
'Convierte el valor de 8 bits en una unidad de ingeniería
'Recibe los voltajes de referencia con los que el pic fue
'configurado
'Solo trabaja con COM1

'Mis variables

Public vrefpos As Double
Public vrefneg As Double
Public voltaje As Double
Private captura As Boolean

Private Sub btnCaptura_Click()

cadena = MSComm1.Input
captura = True
btnCaptura.Enabled = False
btnDetener.Enabled = True
txtVrefp.Enabled = False
txtVrefn.Enabled = False
txtUIV.Enabled = False
txtUI.Enabled = False

End Sub

Private Sub btnDetener_Click()

captura = False
btnCaptura.Enabled = True
btnDetener.Enabled = False
txtVrefp.Enabled = True
txtVrefn.Enabled = True
txtUIV.Enabled = True
txtUI.Enabled = True

End Sub

'Subfunción que se ejecuta al principio de la aplicación

Private Sub Form_Load()

    'Configura puerto serial COM1
    MSComm1.Settings = "2400,N,8,1"
    mscomm1.commPort = 1 'usa el com1
    MSComm1.InputLen = 0 'tamaño de buffer de entrada
    MSComm1.PortOpen = True 'abre puerto
    MSComm1.RThreshold = 1 'habilita el evento ante recepción
                           'en buffer después de recibir 1 byte
    vrefneg = txtVrefn.Text 'valores iniciales de referencia
    vrefpos = txtVrefp.Text

End Sub

'aquí llega si el com1 tuvo cambios en rx o tx

Private Sub MSComm1_OnComm()

If (MSComm1.InBufferCount >= 2) And (captura = True) Then 'el pic envía 2bytes cada 960ms
    cadena = MSComm1.Input
    cadrec.caption = cadena
    vrefneg = txtVrefn.Text 'valores de referencia
    vrefpos = txtVrefp.Text
    bin_msb = Mid(cadena, 1, 1) 'copia el 1er byte de la cadena
    bin_lsb = Mid(cadena, 2, 1) 'copia el 2do byte
    binario = (Asc(bin_msb) * 256) + (Asc(bin_lsb)) 'calcula de 0 a 1023
    conv.caption = binario
    volts = ((binario / 1023) * (vrefpos - vrefneg)) + vrefneg
    lblvolts.caption = volts
    UIV = txtUIV.Text
    uing = volts * UIV 'convierte a unidades de ing.
    lblumedidas.caption = CStr(uing)
    lblumedidas.caption = mid(lblumedidas.caption, 1, 5) + " " + txtUI.Text
End If

End Sub
 

Errores conocidos en el programa y circuito

 - El voltaje de referencia dado por el diodo zener no es constante ya que depende de la fuente de alimentación y de la corriente que fluye por el diodo Esto implica que la conversión ADC pueda tener un error indeterminado.

- No se implementó corrección de errores en la comunicación infrarroja en Visual Basic por lo que el programa puede mostrar desbordamiento de cadena y fallar.

- El sensor de temperatura LM35 cuenta con un error de ±0.5°C en su medición.

- No se considera tampoco el offset que el LM324 tiene al amplificar el voltaje del LM35.