tutorial deste modelo

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DA PLACA DE AQUISIÇÃO E CONTROLE M-4
RESUMO - Este artigo descreve a placa de aquisição de dados M-4 que
permite comunicação entre um hardware específico e um computador, utilizando a
porta serial disponível no PC. O modelo apresentado permite controlar até dois
motores de passo, ler até duas entradas analógicas e ainda possui 4 entradas ou
saídas digitais.
1 INTRODUÇÃO
A placa de aquisição e controle de dados é indicada no desenvolvimento
de projetos rápidos e sem a necessidade de uma implementação de hardware muito
complexo.
O firmware M-4 facilita a utilização de motores de passo, leitura de um
sinal analógico e controlar entradas e saídas digitais, requerendo apenas um
conhecimento básico de eletrônica digital.
Com a integração do software com o hardware, exercitamos os
conhecimentos na implementação de programas que controlam um dispositivo
eletrônico.
O diagrama da Figura 1 mostra o princípio de funcionamento da placa,
sendo dividida em módulos que podem ou não ser incluídos no projeto.
Figura 1: Diagrama geral
Para acionar um dispositivo ou ler alguma informação (por exemplo, um
motor de passo, entrada digital, etc.), o PC deve enviar um comando adequado
através da linha serial, sendo este interpretado e executado pela placa de aquisição
e controle. Em alguns casos, estes comandos retornam valores para o PC sendo
então necessária uma comunicação bidirecional.
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O modelo M-4 consiste em:
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


Microcontrolador Microchip PIC 16F876;
Driver serial utilizando MAX-232;
Driver para 4 Motores de Passo;
Entrada/Saída Digital (IO), uma porta de 4Bits.
O módulo principal e o modulo da comunicação serial são essenciais
para o funcionamento da placa. O driver para motor de passo e o módulo das
entradas / saídas (IO) são opcionais, pois são independentes e aplicáveis de acordo
com a necessidade do projeto.
2 PROCEDIMENTO DE MONTAGEM E TESTE
2.1 Aquisição do material
Este projeto requer apenas componente comercial. A aquisição do
microcontrolador Microchip PIC16F876-20/P pode ser feita através do seu
representante no Brasil, AUT-COMP, com sede em São Paulo. O contato deve
ser feito por telefone (11 – 6915-7443) e o seu custo é de aproximadamente US$
7,21 + 2% de IPI. A taxa de envio para Curitiba é de R$ 13,00. A forma de
pagamento é através de depósito bancário e o tempo para o envio é de
aproximadamente uma semana (dados obtidos em 11/09/2002).
Quanto aos outros componentes, podem ser encontrados nas lojas de
componentes eletrônicos. O motor de passo pode ter um custo alto se for
adquirido novo, porém há a opção de comprar um usado ou retirar de alguma
sucata de equipamentos como impressora, fax, scanner, e outros. Dê preferência
por motores de passo de 5 ou 6 terminais. Modelos com 4 terminais exigem um
circuito mais complicado.
Cuidado especial deve ser tomado quanto às características elétricas do
motor de passo, devendo a tensões e a correntes ser compatível com o circuito
montado. Por exemplo, se tivermos um circuito que funcione com 5V e possa
suprir no máximo uma corrente de 1A, não podemos ligar nele um motor que
consuma 2A ou que tenha uma tensão de alimentação de 2,8V, com risco de
danificar o circuito ou o motor. Os demais componentes necessários como
resistores e diodos têm seu custo mínimo e o preço pode variar muito
dependendo da loja.
2.2 Gravação do PIC
A gravação do PIC deve ser feita através do gravador PICStart Plus e do
software MPLAB disponíveis no Laboratório de Engenharia de Computação.
Através do MPLAB (acessando o menu FILE->IMPORT->IMPORT TO MEMORY),
uma caixa de diálogo irá abrir e solicitando o caminho do arquivo M-4.HEX que
deve ser importado (ver Figura 2).
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Figura 2: Procedimento de gravação
Para habilitar o programador, selecione o menu PICSTART PLUS-> ENABLE
PROGRAMMER (Figura 3).
Figura 3: Habilitação do gravador
Ao habilitar o programador, uma nova janela deve abrir e o botão
PROGRAM deve ser pressionado, Figura 4. Neste instante a gravação é iniciada
e podendo demorar alguns minutos. Concluída a gravação, uma mensagem de
sucesso é exibida e o chip pronto!
Figura 4: Parâmetros de programação
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2.3 Módulo principal
O módulo principal é composto do PIC, do MAX-232, do cristal, de um
resistor e do cabo serial. Sua montagem deve ser feita seguindo o esquema da
Figura 5.
O PIC deve ser alimentado com 5V no pino 20 e o GND nos pinos 8 e/ou
19. Um cristal oscilador de 4MHz deve ser ligado entre os pinos 9 e 10 e um
resistor de 1kΏ deve ser ligado no pino 1 para reset.
A interface serial tem como principal componente o MAX-232. Sua
função é conformar o sinal do padrão RS-232, que trabalha com níveis de tensão
de 12V a -12V, para o padrão TTL. São necessários quatro capacitores que
devem ser ligados, lembrando que os pinos de alimentação são respectivamente
os pinos 16 e 15, para Vcc (5V) e GND. Os pinos 9 e 10 são os pinos de TX e RX
que devem ser ligados ao PIC, pois trabalham com níveis TTL. Os pinos 7 e 8
são ligados nos pinos 2 e 3 do conector DB-9, no qual o sinal é do tipo RS-232. O
GND do conector DB-9 (pino 5) deve ser ligado com o GND da placa,
necessariamente. A Figura 6 mostra como deve ser feito o cabo serial, tomando o
devido cuidado para não confundir os pinos de DB-9 com o DB-25.
Figura 5: Módulo principal
Figura 6: Cabo serial
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2.4 Teste inicial
Para um teste inicial é necessário que o hiperterminal (Windows) seja
configurado corretamente conforme a seqüência
a) Execute o HIPERTERMINAL do Windows, criando uma nova
conexão, como mostra a Figura 7.
Figura 7: Nova conexão
b) Escolha qual porta serial será
direcionamos para a COM1, Figura 8
utilizada.
Normalmente
Figura 8: Escolhendo a porta serial
c) Por fim, conforme a Figura 9 configure:
 a velocidade, em bits por segundo, para 9600;
 o número de bits de dados, para 8;
 a paridade para nenhuma;
 o bit de parada para 1;
 o controle de fluxo também para nenhum.
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Figura 9: Configurações gerais da porta serial
Para sabermos se o hiperterminal foi configurado corretamente,
devemos conectar o cabo serial na COM1 e realizar um curto-circuito entre os
pinos 2 e 3 da outra ponta do cabo. Quando uma tecla alfanumérica é
pressionada este caractere deve aparecer no hiperterminal.
Após montar o módulo conforme a Figura 5, conectá-lo ao computador. Ao ligar
este módulo, uma mensagem de apresentação deverá ser exibida no
hiperterminal conforme a Figura 10.
Figura 10: Mensagem inicial
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2.5 Configuração das mensagens e do eco do teclado
Figura 11: Configuração inicial
A placa de aquisição geralmente retorna ao usuário cada tecla digitada
(eco) e mensagens para facilitar a visualização. Porém, ao desenvolver uma
aplicação no computador, estas opções podem ser inconvenientes. Para
ligar/desligar as opções de exibir as mensagens e eco, use o comando
CONFIG<ENTER>. Ao digitar este comando, as mensagens da Figura 11 serão
apresentadas permitindo ativar ou não estas opções. Estas configurações
permanecerão ajustadas mesmo se o PIC for desligado1.
2.6 Módulo de leitura e escrita digital
O procedimento a seguir descreve um teste inicial para determinar o
funcionamento dos sinais de leitura e escrita digital.
Conforme a Figura 12, conecte os pinos da porta de IO (IO-0, IO-1, ...,IO-3) aos
LEDs da mesa digital, não esquecendo de ligar o GND da mesa no terra do
circuito. Ao digitar o comando WR01<ENTER> no hiperterminal, o primeiro LED
deve acender.
Obs.: para melhor explicação do comando WR verifique o item 3.
Para testar estes sinais como entrada, podemos ligar os pinos de IO nas chaves
de mesa digital. Ao digitar o comando RD<ENTER> no hiperterminal, será exibida
a leitura dos bits como um valor em hexadecimal.
Com estes testes podemos ter uma noção geral do seu funcionamento.
1
Estas configurações são salvas na memória EEPROM (não volátil).
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Figura 12: Pinos de IO
2.7 Teste do acionamento de motor de passo
O procedimento a seguir descreve um teste inicial para verificar a seqüência de
acionamento dos dois motores de passo. Para isto, podemos conectar as saídas das
fases nos LEDs da mesa digital, conforme a Figura 13. Ao digitar o comando
SM1RUN <ENTER> no hiperterminal, os LEDs ligados a saída SM0..SM3 do motor
1 deverão acender na seqüência de acionamento normal das fases do motor. Ao
digitar o comando SMV80<ENTER> a seqüência será executada com uma
velocidade maior. Para parar, o comando SM1STOP<ENTER> pode ser utilizado.
Obs.: para melhor explicação do comandos acima verifique o item 3.
Figura 13: Saídas do motor de passo
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2.8 Montagem do driver para motor de passo
O procedimento a seguir descreve o funcionamento e características da etapa de
potência que controla cada motor de passo.
A Figura 14 mostra o módulo de driver de motor de passo com 5 ou 6 fios. De
acordo com os transistores utilizados este módulo permite um aumento na
capacidade de corrente das saídas. Os transistores recomendados são de
potência (por exemplo, TIP 121), com dissipador de calor e/ou ventilação forçada.
Os resistores que ligam o PIC com o transistor servem para limitar a corrente de
polarização dos transistores. Também é necessário colocarmos diodos em
paralelo com as bobinas do motor, evitando que uma corrente reversa seja
descarregada pelo transistor.
CUIDADO: observe a polaridade dos diodos na Figura 14
CUIDADO: observe a tensão VR que não deve ultrapassar 30 V e a corrente
do transistor não pode ser maior que 2 A. Monitore constantemente a
temperatura dos transistores e caso necessário dissipadores de calor e/ou
ventilação forçada devem ser usados!
Figura 14: Driver do motor de passo com seis e cinco fios respectivamente.
Para trabalhar com motores de passo com 4 fios, o driver é um pouco mais
complicado. A Figura 15 mostra o diagrama em blocos de ligação no motor.
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Motor
De
Passo
Figura 15: Ligação dos 4 drivers com o motor de passo (4 fios)
Nesta figura verificamos a necessidade de 4 drivers do tipo SM-DRV. A Figura 16
exibe o diagrama esquemático recomendado para o SM-DRV.
Do PIC
Para o motor
Figura 16: diagrama esquemático do driver SM-DRV.
Neste diagrama, T1 utiliza o TIP 125, porém pode ser utilizado TIP126 ou TIP127. Já
o transistor T2 recomendado é o TIP 122, porém pode ser utilizado TIP120 ou
TIP121 sem problemas.
Observe ainda que o valor do resistor R3 deve ser calculado em função do da
tensão VR (ver Figura 16).
CUIDADO: observe a tensão VR que não deve ultrapassar 30 V e a corrente do
transistor não pode ser maior que 2 A. Monitore constantemente a temperatura
dos transistores e caso necessário dissipadores de calor e/ou ventilação
forçada devem ser usados!
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2.9 Fonte de alimentação
O circuito básico de uma fonte de alimentação para ligar o PIC com 5V/1A é
mostrado na Figura 17.
Figura 17: Fonte de alimentação
ATENÇÃO: tome muito cuidado com montagem da fonte de alimentação, pois
está conectada a rede elétrica! Não brinque com este circuito! Caso a
montagem não esteja adequada, há riscos de choque-elétrico e queimaduras
causadas por curto-circuito! Antes de ligá-lo solicite orientação do professor
ou pessoal técnico qualificado.
Tabela 1: Lista de materiais da fonte de alimentação.
Componente
Fusível 2A/250V
Transformador 12V/1.5A
Diodo 1N4004
Capacitor de 3300µF/50V
Capacitor de 100µF/50V
Regulador de Tensão 7805
Resistor 270 Ω
LED
Qtd.
1
1
4
1
1
1
1
1
Os componentes da fonte não estão inclusos na lista de materiais descrita no
fim deste documento.
2.10 Outras aplicações
O módulo de leitura e escrita digital (item 2.5) também pode ser utilizado para
controlar/ler diversos dispositivos (LEDs, relés, displays, ler sensores, switchs, etc.).
A Figura 18, mostra como ligar um relé a saída digital para controlar uma lâmpada.
Cuidado especial deve ser tomado para que a tensão de alimentação Vr (no máximo
15V) seja compatível com a tensão da bobina do relé.
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Figura 18: Acionamento de relé
2.11 Características elétricas
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




Tensão de alimentação Vcc = 5V;
Consumo: menor que 2mA;
Tensão da entrada digital: 0/5V (padrão TTL);
Tensão da entrada analógica: de 0V até 5V;
Impedância máxima do circuito permitida na entrada analógica: 10k ohms;
Corrente de saída máxima do terminal do PIC = 20mA;
2.12 MATERIAIS
Para a montagem da placa são necessários os seguintes componentes
 1 Microcontrolador PIC 16F876-4 (Módulo Principal);
 1 Cristal de 4MHz (módulo principal);
 1 Resistores de 1k Ώ (módulo principal);
 4 Resistores de 330 Ώ (módulo principal);
 1 Interface Serial MAX-232 (modulo de comunicação serial);
 4 Capacitores de 10µ F/25 V (modulo de comunicação serial);
 4 Resistores de 470 Ώ (driver do motor de passo);
 8 Transistores TIP 121 ou equivalente (driver do motor de passo);
 8 Diodos de uso geral 1N4007 ou 1N4004 (driver do motor de passo).
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3 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO DO MODELO M-4
A seguir são listados os comandos disponíveis para o módulo M-4.
Tipo de comando
Leitura e escrita digital
Leitura do Conversor
Analógico/Digital
Controle do motor de
passo
Comando
Descrição
Lê a porta de I/O (resposta em
RD
hexadecimal)
Escreve o dado dd (hexadecimal) na porta
WRdd
de I/O
Lê o canal “x” do conversor AD (resposta
ADx
em hexadecimal)
Configura o tempo entre as mudanças de
SMVdd
fase do motor de passo para delay
proporcional2 a dd (hexadecimal)
Ajusta sentido horário3 de rotação da
SMxRR
saída do motor de passo x
Ajusta sentido anti-horário da rotação da
SMxRL
saída do motor de passo x
Define o número dddd (hexadecimal) de
SMxdddd
passos que o motor x deverá girar.
Retorna com o número de passos que
ainda faltam para concluir o comando
SMx?
SMxdddd do motor x (resposta em
hexadecimal)
SMxRUN
Giro incondicional do motor de passo x
SMxSTOP Parada incondicional do motor de passo x
SMxFREE
Parada incondicional do motor de passo x,
com a liberação das bobinas4
Exemplos:


2
Para ler um dado da porta de IO é necessário utilizar o comando:
RD<ENTER>. O valor lido é retornado na forma de dois caracteres ASCII,
representando um byte em hexadecimal.
Para ligar os bits IO3 e IO2 desligando os bits IO2 e IO0 (ver Figura 12) é
necessário utilizar o comando: WR0A<ENTER>
delay 
1024  dddd
(onde clock = 4MHz)
clock
3
Dependendo da seqüência de montagem das fases, o sentido de rotação pode ficar invertido.
Normalmente o motor de passo fica com as bobinas acionadas para fazer o travamento do motor de
passo, quando utilizado o comando FREE as bobinas ficam desligadas. Este comando pode ser útil
em sistemas onde é necessário economizar energia.
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