Control Estacionamiento

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER INGENIERÍA ELECTRÓNICA MICROCONTROLADORES PRIMER PREVIO DE MICROCONTROLADORES AUTOMATIZACIÓN DE UN PARQUEADERO MEDIANTE UC8051 E INTERFAZ CON LABVIEW Francisco Hernández [email protected]

Andrea Bautista [email protected]

RESUMEN: El siguiente informe documenta el trabajo desarrollado como primer previo para la materia de microcontroladores; el cual consiste en la automatización de un parqueadero mediante el microcontrolador 8051 y la visualización de las señales mediante el software LabView en el cual se determinaba el tiempo de cada usuario en el parqueadero y su respectiva tarifa de cobro. El microcontrolador establecía el control para detectar las señales de cada puesto de parqueo y a su vez visualizar el numero de cupos disponibles en un display siete segmentos en la entrada; de esta forma permitía el accionamiento de un motor paso a paso para levantar el obstáculo de la entrada y cerrarlo una vez se detectara el ingreso del carro.

Francisco Moreno [email protected]

permanece en su respectivo lugar, así como el puesto que se esta ocupando. OBJETIVOS ESPECIFICOS •

•

•

Implementar un circuito de control mediante el uc8051 que habilite y deshabilite el ingreso de carros al parqueadero. Programar el 8051 para que desarrolle el control del parqueadero y permita interfazar los datos con el computador externo. Desarrollar un programa en LabView que interprete los datos recibidos del uc para visualizar el estado del parqueadero.

MARCO TEORICO

Diagrama Esquemático

MICROCONTROLADOR 8051 Un microcontrolador es un sistema mínimo en un solo dispositivo. Está encaminado a aplicaciones concretas, con posibilidad de expansión casi nulas y trabaja con un mínimo número de componentes. Este dispositivo presenta las siguientes características: OBJETIVO OBJETI VO GENERAL GENERAL •

Diseñar un sistema digital basado en el microcontrolador 8051 en conjunto con Labview que permita el control del flujo de vehículos de un parqueadero, realizando el conteo de entrada y salida de los mismos, el control de acceso al parqueadero inhibiendo el paso de vehículos cuando éste se encuentre lleno, además el sistema permite contabilizar y visualizar en un monitor el tiempo de permanencia durante el cual cada vehículo

• • • • •

• • •

Microprocesador de 8 bits. 32 líneas bidireccionales, en 4 puertos. 128b de RAM. 2 Contadores/Timers Contadores/Timers de 16 bits. 1 UART completo. 5 interrupciones con dos niveles de prioridad. 1 Circuito de reloj. 64kb de Memoria de Programa. 64kb de Memoria de Datos.

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El microcontrolador 8051 presenta la siguiente distribución de pines:

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MULTIPLEXOR 74LS157 Circuito que conmuta los datos digitales de distintas líneas de entrada a una única línea de salida según una secuencia temporal especificada. El multiplexor utilizado es el 74LS157 el cual esta formado por cuatro multiplexores de dos entradas. Todos los multiplexores comparten una misma línea de selección de datos y una de habilitación (enable), ya que solo existen dos entradas de datos que pueden ser seleccionadas en cada multiplexor, es suficiente para tener una única entrada de selección.

Simb

Parámetr Pa rámetroo

Mi n

Max

Unidad

Vil

Input Low Voltaje

-0,5

0,2Vcc-0,1 0,2Vcc- 0,1

V

Vih

High in volt exc Xt1, RST

0,2Vcc+0,9

Vcc+0,5

V

Vol

Out Low Volt Ports

--

0,3

v

Voh

Out high volt ports

Vcc-0,3

Rrst

Resistor rst

50

200

Kohm Kohm

Tclcl

Oscillator Oscillator Periodo Periodo

25

----

ns

V

El puerto 0 es un puerto bidireccional; cuando tiene 1´s escritos las salidas están flotadas y pueden servir como entradas en alta impedancia. El puerto 1 es quasidireccional, cuando se escriben 1´s en el puerto éste puede ser utilizado como entrada.

Este selecciona cuatro bit de datos desde dos fuentes bajo el control de una entrada de selección (S (S ) común. El habilitador habilitador ( E  ) debe estar en bajo para que se active el multiplexor. Cuando el habilitador (  E  ) esta en alto las salidas (Z) son forzadas a bajo. El 74LS157 es un implementador lógico de cuatro posiciones, con dos posiciones de switch donde la posición del switch determina los niveles lógicos necesarios. Su funcionamiento esta dado de la siguiente manera:  Za

=

 E  x ( I 1axS

 Zb

=  E  x

 Zc

=

+  I 

0ax S )

( I 1bxS bx S +  I 0bx S )

 E  x ( I 1cxS

+  I 

0cx S )

 Zd  =  E  x( I 1dxS dx S +  I 0dx S )

El cristal 1 Es la entrada del cristal para el circuito del oscilador (generador de reloj interno) El RST una entrada alta en esta línea durante dos ciclos de maquina mientras el oscilador esta corriendo detiene el dispositivo.

El uso común que se le da al multiplexor 74LS157 es el movimiento de dos grupos de datos de registros a cuatro salidas de buses comunes. Puede generar cualquiera de las cuatro de las dieciséis diferentes funciones de dos variables con una variable común.

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Seguidamente a partir de las salidas del multiplexor Za – Zb Su descripción de pines es la siguiente:

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Principio de funcionamiento Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

MOTOR PASO A PASO

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede puede varia variarr desde desde 90° 90° hasta hasta peque pequeños ños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°. 360°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

•

Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.

Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador. Debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar reaccionar en alguna de las siguientes formas: •

•

• •

Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar erráticamente. O puede llegar a girar en sentido opuesto.

Las características de los motores motores usados usados Se encuentran encuentran en ANEXO A

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PUERTO PARALELO Cada uno de estos puertos ocupa tres direcciones del mapa de E/S: • •

•

Puerto de Datos: Datos: De 8 bits, Puerto de Estado: Estado: . Se usan sólo 5 de los 8 bits. Puerto de Control: Control: Se usan 4 bits.

Para este proyecto se utilizo el bus de datos para el ingreso de las señales del parqueadero y el pin 1 del pp del bus de control para habilitar y deshabilitar el multiplexor.

máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesario la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Los transistores utilizados e el proyecto fueron 2N2222 Zonas de funcionamiento del transistor bipolar: ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo • amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente). •

El bus de estatus esta constituido por: •

SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial). FOTOCELDAS

El bus de Control determinado por:

TRANSISTOR BJT Dispositivo semiconductor de tres terminales, al que se le debe conocer una serie de valores

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Las Fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz. Las fotoceldas pueden clasificarse como fotovoltaicas o fotoconductivas. Una celda

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fotoconductiva es un dispositivo pasivo, incapaz de producir energía. Su resistencia varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie.

Con un indicador de siete segmentos se pueden formar los dígitos del 0 al 9, también las letras a, c, e y f y las letras minúsculas b y d.

Detección de la presencia de un objeto opaco.

DECODIFICADOR 74LS47

-

BINARIO BINAR IO – 7 SEGMENTOS SEGMEN TOS

-

La detección puede hacerse en una base de todo o nada, en la que el circuito de la foto celda tiene solo dos estados de salida que representan la presencia o la ausencia de un objeto. La detección puede hacerse en una base continua, teniendo el circuito de la fotocelda una salida continuamente variable que representa la posición variable del objeto. DISPLAY SIETE SEGMENTOS

Este dispositivo tiene salidas activa bajo de colector abierto, diseñado para controlar el encendido de leds ánodo común o indicadores directos. Este dispositivo tiene dos entradas para control de blanqueo (RBI/ y RBO/). Las entradas y salidas son enteramente compatibles con lógica TTL. Características Eléctricas:

Tabla de Funciones Internamente están constituidos por una serie de diodos LED con unas determinadas conexiones internas. Cátodo Común

Ánodo Común

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DESARROLLO Como parte inicial del desarrollo se implementaron los ajustes necesarios a la maqueta del parqueadero, esto involucra: ajuste de los sensores (fotoceldas) ya que dependiendo de la resistencia de base de la etapa del transistor 2n2222 estas eran o no muy sensibles a las variaciones de luz, lo cual afectaba el desempeño del sistema. El pulso para que se empiece a contabilizar el tiempo de permanencia de cada vehículo y el conteo de los mismos; se obtiene implementado una serie de diodos emisores de luz a chorro que inciden directamente a una fotorresistencia para cada puesto conectada a una configuración de emisor común en un transistor PN2222; de tal forma que cuando ingrese un vehículo a determinado puesto, la incidencia de luz sobre esta es interrumpida y la fotorresistencia cambia su valor, llevando a corte o saturación el transistor; dando el pulso para que se inicie el conteo. De igual manera manera cuando el vehículo sale de su puesto vuelva a incidir luz sobre la fotorresistencia mandando un pulso bajo que se utilizará como reset para el contador de tiempo, quedando de esta forma habilitado el puesto para recibir otro vehículo e iniciar un nuevo conteo. Circuito Leds de Chorro:

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Circuito para cada Fotocelda con su respectivo led indicador (led indicador del puesto del parquedero utilizado)

En segundo lugar se implementó la etapa de potencia para el motor paso a paso esta consiste consis te en conexión darlington compuesta por 2n2222a y TIP41c , para el aislamiento y habilitación de los cuatro conexiones darlington se implemento un buffer 74LS125. Para el control de corriente al motor se utiliza una resistencia de 1,5 ohm de 10wtt, conectada a 12v. Se procedió a hacer la distribución de las señales a los puertos del microcontrolador las cuales son:

PUERTO 0 (SALIDAS) B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 MOTOR

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BCD

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PUERTO 1 (ENTRADAS) B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 S3 S1 S2

CARROS

PUERTO2 (SALIDA AL P.P. DEL PC) B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 S3 S1 S2

CARROS

PROGRAMA PROGRAMA DEL MICROCONTROLADOR MICROCONTR OLADOR

Al estar dispuestas las entradas / salidas de las señales al microcontrolador se desarrollo el programa del mismo para observar su desempeño en cuanto a las activaciones del puerto 2 de acuerdo a las señales de entrada (el puerto 2 se visualizaba en las pruebas con leds). Como etapa final se multiplexaron las señales del puerto 2 y se elaboró el software en LabView para capturar dichas señales, para la habilitación de captura de los bits altos y bajos del puerto 2 del microcontrolador se enviaba pro el pin 1 del puerto paralelo (strobe/) un bit que permitía dar este control al multiplexor y se procedió a establecer la lógica necesaria para representar cada sensor en la pantalla principal de LabView y llevar el conteo del tiempo para cada puesto del parqueadero así como su respectiva tarifa de cobro. Circuito del multiplexor:

$MOD51 $TITLE(PARCAR) ORG 0000H LJMP 100H ORG 100H

INI: INI:

MOV A,#00H MOV P0,A MOV P2,A MOV R0,P1 MOV P2,R0; MOV A,#040H ANL A,R0 MOV R1,A MOV A,#080H; ANL A,R0; MOV R3,A ; MOV A,#01FH ANL A,R0 MOV R6,A

MOV R7,#00H CARROS: CARR OS: MOV A,#010H ANL A,R0 CJNE A,#010H,Q1 Ing. Gabriel Sánchez Suárez [email protected]

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Q1:

Q2:

Q3:

Q4:

Q5:

INC R7 MOV A,#08H A,#08H ANL A,R0 CJNE A,#08H,Q2 INC R7 MOV A,#04H A,#04H ANL A,R0 CJNE A,#04H,Q3 INC R7 MOV A,#02H A,#02H ANL A,R0 CJNE A,#2H,Q4 INC R7 MOV A,#01H A,#01H ANL A,R0 CJNE A,#01H,Q5 INC R7 MOV P0,R7

CUPO:CJNE R6,#00H,SIG LJMP INI SIG: MOV R4,#0DH CJNE R1,#0H,ABRIR MOV A,#020H ANL A,R0 MOV R1,A CJNE R1,#0H,CERRAR LJMP INI ABRIR: MOV A,R7 ORL A,#080H MOV P0,A ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#040H MOV P0,A ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#020H MOV P0,A ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#010H

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Francisco Moreno [email protected]

MOV P0,A ACALL RTO DJNZ R4,ABRIR LJMP INI CERRAR: ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#20H MOV P0,A ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#040H MOV P0,A ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#080H MOV P0,A ACALL RTO MOV A,R7 ORL A,#010H MOV P0,A ACALL RTO DJNZ R4,CERRAR LJMP INI RTO: RTO : MOV R3,#0FH R10: MOV R5,#0FFH RET10: DJNZ R5,RET10 DJNZ R3,R10 RET END EN D EXPLICACION Inicialmente se clarean los puerto 0 y 2 que son los que se van a utilizar como salida. Luego se cargan los registros con valores respectivos de las señales de entrada: R0 : Puerto 1 del uc R1: Sensor1, mas adelante se registra Sensor2 (sensores de entrada para abrir y cerrar la cerca) R3: Sensor de Salida (señal a enviar al puerto Ing. Gabriel Sánchez Suárez [email protected]

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paralelo, para que resetee el cotador del puesto previamente desactivado) R6: Posiciones de carros carros Después de tener estos datos se procede a contar el número de carros (no la posición), para enviar este valor binario al decodificador de BCD, esto se implementa detectando el estado de los bits bajos del puerto 1 (puestos del parqueadero) mediante and lógicas para cada puesto, de forma tal que si el resultado de la and es 1 entonces se procede a incrementar el registro 7. De esta forma en R7 se mantiene el número de carros parqueado. Seguidamente se procede a preguntar por las posiciones desactivadas (R6) si es diferente de cero se procede a SIG a preguntar por los sensores de entrada (S1 y luego S2) para activar el motor en modo abriendo o cerrando; un número de secuencias específico (R4).

Por pantallazo frontal se reproduce el parqueadero en una vista superior, estipulando las señales respectivas de posición de carro y sensores de entrada 1y2 y salida así como el número de cupos disponible, la activación o desactivación de la rejilla y los correspondientes correspondientes temporizadores y precios. El diagrama respectivo es el siguiente:

En caso tal de que el cupo sea 0 (o sea que todos los puestos están ocupados), se regresa al inicio a cargar nuevamente cada registro hasta detectar que algún carro salga y por ende haya cupo disponible. Para cada rutina de abrir y cerrar se implementan el envió de la secuencia de activación a cada bobina del motor dando un retardo entre cada pulso para permitir que se energice la bobina y repitiendo el ciclo un numero de veces R4 para abrir o cerrar por completo la rejilla. PROGRAMA LABVIEW

Fig1 del Diagrama El programa en LabView consiste en una captura de estados lógicos a través del puerto paralelo provenientes del puerto 2 del 8051, el cual permite tener acceso en tiempo real del estado de cada puesto del parqueadero así como de los sensores de la entrada y salida. La función principal del programa es la de interpretar y visualizar en una interfaz gráfica,

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las señales provenientes del parqueadero, de tal forma que se pueda monitorear el flujo de vehículos del mismo. También tiene como función realizar el conteo de tiempo de permanencia en segundos de cada vehículo en su respectivo puesto, así como calcular la fracción de tiempo y el costo respectivo. Para este caso se tomaron fracciones de 30 segundos y un valor de 700 pesos por fracción. El programa muestra también el número de cupos disponibles. disponibles.

a

Este programa tiene 5 cuadros principales de secuencias uno para cada señal de sensor de posición de carro.

b

Si hay carro se sigue una secuencia en la cual se espera un segundo y luego se procede a incrementar el Tem correspondiente a cada puesto a la vez que se va determinando el precio por cada 60 segundos contados. Las secuencia para cada cuadro son las mismas; en la figura se observa los tres diferentes estados de cada cuadro: puede ser que este el carro y sigue la secuencia anteriormente descrita (Fig 2a, Fig 2b) o que no este el carro para lo cual se resetea el temporizador (Fig 2c)

Francisco Moreno [email protected]

c Figura 2 del diagrama La sección en la figura1 del diagrama encerrada en línea punteada es un SubVi que realiza la captura de datos desde el multiplexor dando la señal de control al mismo por el pin 1 del puerto paralelo.

Las secuencias específicas son: Secuencia 0: Se habilita el multiplexor para capturar los bits bajos con un retardo.

Fig 3 del diagrama Ing. Gabriel Sánchez Suárez [email protected]

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Secuencia 1: Se capturan los datos por los 4 bits altos del bus de estatus, se rotan para que representen los bits bajos del microcontrolador.

Fig 4 del diagrama Secuencia 2: Se habilita la entrada de bits altos del multiplexor con un retardo. Fig 7 del diagrama Fig 5 del diagrama Secuencia 3: Se capturan los 4 bits altos (por los bits altos del bus de status del puerto paralelo) y se superponen con los bits bajos previamente capturados para formar el vector de señales completo.

Fig 6 del diagrama Secuencia 4:

Se procede proc ede a visualizar visualizar (activar) cada señal booleana correspondientemente distribuida en el pantallazo principal de LabView. El control para visualizar la puerta se establece deacuerdo a las señales anteriormente capturadas de forma tal que el valor booleano de cada señal se lleva a vector y se suman los términos para preguntar si son diferentes de 5 (hay cupos) y están abrir o cerrar entonces encienda el indicador de la puerta.

Fig 8 del diagrama Todas las partes del programa se ejecutan indefinidamente dentro de un ciclo WHILE.

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CONCLUSIONES •

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Para el desarrollo de cualquier programa en el microcontrolador es necesario hacer una eficiente distribución de los puertos para lograr trabajar con todas las señales que el sistema requiera. El control de motores paso pas o a paso mediante un microcontrolador hace necesario una correcta función de retardo para la activación de cada bobina, ya que estos motores poseen un tiempo mínimo necesario para que cada bobina se alcance a energizar; de lo contrario no girará y quedará vibrando sin hacer una secuencia de pasos apropiada. La interfaz entre los sensores de las entradas del parqueadero y las señales al microcontrolador debe requerir cierta flexibilidad; ya que dependiendo de la resistencia de base de esta interfaz debe ser ajustada dependiendo de la cantidad de sombra del ambiente, para que no presente activaciones indeseadas. Para el manejo del display y una eficiente utilización de los puertos del microcontrolador microcontrolador se hace necesario utilizar un decodificador de binario a 7 segmentos (74LS47) El programa implementado para el microcontrolador obedece a una lógica del sistema (parqueadero); ya que se hace consecuencia al hecho de que primero debe estar el sensor1 de entrada y después lógicamente el sensor2 antes de activar los sensores de los puestos del parqueadero; en este orden de ideas NO se hace control para situaciones que no correspondan a señales inapropiadas. El control en general del parqueadero se implementa en el microcontrolador; el software en LabView únicamente se utiliza para dar una visualización de las señales y el estado del mismo.

BIBLIOGRAFÍA •

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•

National analog and interface databook

products

GONZALEZ,Vásquez José Adolfo, Introducción a los Microcontroladores 8X52 8X51, Editorial McGraw Hill Microcontrolador 8051

www.ufps.edu.co/materias/ucontrol ANEXOS : DIAGRAMA DE CONEXIONES GENERAL

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I ANEXO DIAGRAMA DE CONEXIÓN GENERAL

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