Microcontroladores y Microprocesadores: Funcionamiento, Aplicaciones y Arquitecturas, Apuntes de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

ELECTRÓNICA AUTOMOTRIZ

INTEGRANTES:

-Buenaño Allaica José Miguel -

- Mera Vargas Danilo Roberto -

-Narváez Valencia Alex Bladimir -

-Verdugo Romero Arnold Antonio -

- Yupangui Lucero Hector Steeven - 7549

DOCENTE:

Ing. Iván Sinaluisa

TEMA:

Informe ¨Microcontroladores¨

FECHA DE ENTREGA:

Jueves, 06 de febrero de 2025

PERIODO ACADÉMICO

Octubre-Febrero 2025

Contenido

• I. DEFINICIÓN
• II. TIPOS
• III. ARQUITECTURA
• IV. APLICACIONES
• V. PLATAFORMAS DE DESARROLLO
• VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Para desencadenar la temática propuesta acerca de las similitudes, diferencias, de los microprocesadores y microcontroladores, es necesario que el lector tenga un poco de conocimientos sobre el tema.

Microcontrolador Un microcontrolador es un circuito integrado que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Esta última característica es la que le confiere la denominación de «controlador incrustado» (embedded controller). Se dice que es “la solución en un chip” porque su reducido tamaño minimiza el número de componentes y el costo. Estructura básica de un microcontrolador

El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida soportan la conexión de sensores y actuadores del dispositivo a controlar. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada. (Universidad de Cevilla,

El Microcontrolador está formado por un Microprocesador y el conjunto de subsistemas que normalmente requiere un microprocesador: memoria volátil (calculo temporal), memoria no volátil (donde almacena el programa), entrada y salida.

Figura 1. Microcontrolador Funcionamiento Aunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura clásica de Von Neumann, en el momento presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de Von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

Figura 2.Funcionamiento del Microcontrolador

La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias. (GeeksforGeeks, 2019)

Aplicaciones

Control de electrodomésticos, juguetes, sistemas de iluminación, y dispositivos de bajo rendimiento.

Ejemplos

PIC (de Microchip): Ampliamente utilizado en aplicaciones industriales y educativas. 8051 (de Intel): Uno de los microcontroladores más antiguos y populares, aún utilizado en sistemas embebidos. (Valdés, 2016)

2. Microcontroladores de 16 bits Estos microcontroladores manejan datos en bloques de 16 bits, lo que les permite realizar operaciones más complejas y rápidas en comparación con los de 8 bits. Ofrecen un equilibrio entre rendimiento y consumo energético.

Figura 5. Microcontrolador de 16 Bits Características

 Mayor capacidad de procesamiento que los de 8 bits.  Consumo energético moderado.  Frecuencias de reloj típicas entre 16 MHz y 50 MHz.

Aplicaciones

Sistemas de control industrial, dispositivos médicos, automoción y sistemas de comunicación.

Ejemplos

MSP430 (de Texas Instruments): Conocido por su bajo consumo, ideal para aplicaciones portátiles y de batería.

AVR XMEGA (de Microchip): Utilizado en aplicaciones que requieren mayor rendimiento que los microcontroladores de 8 bits. (Ferreira, 2018)

3. Microcontroladores de 32 bits Estos microcontroladores procesan datos en bloques de 32 bits, lo que les permite manejar operaciones complejas y grandes volúmenes de datos. Son ideales para aplicaciones que requieren alto rendimiento y multitarea.

Figura 6. Microcontrolador de 32 Bits Características

 Alta capacidad de procesamiento.  Mayor consumo energético en comparación con los de 8 y 16 bits.  Frecuencias de reloj típicas superiores a 50 MHz, llegando hasta varios cientos de MHz.

 Familia o fabricante : Microchip (PIC), STMicroelectronics (STM32), Texas Instruments (MSP430), etc.  Memoria : Cantidad de memoria Flash, RAM y EEPROM.  Periféricos integrados : ADC, DAC, PWM, UART, SPI, I2C, etc.  Consumo energético : Ultra bajo consumo (MSP430) vs. alto rendimiento (ARM Cortex- M).  Aplicaciones específicas : IoT, automoción, industrial, etc. III. ARQUITECTURA La arquitectura de un microcontrolador permite definir la estructura de su funcionamiento, las dos arquitecturas principales usadas en la fabricación de microcontroladores son: arquitectura de Von Neumann y arquitectura Harvard. Además, estas arquitecturas pueden tener procesadores de tipo CISC o de tipo RISC.

1. Arquitectura de Von Neumann En esta arquitectura, los datos y las instrucciones circulan por el mismo bus ya que estos son guardados en la misma memoria, su principal ventaja es el ahorro de líneas de entrada-salida, pero esto supone una disminución en la velocidad con la que se realizan los procesos.

Este tipo de arquitectura es hoy en día muy común en los computadores personales, y fue muy común en la construcción de microcontroladores hasta que se descubrieron las grandes ventajas de la arquitectura Harvard. (Orduña & Arnau, 2017)

Figura 7. Arquitectura de Von Neumann

2. Arquitectura Harvard A diferencia de la anterior, en la arquitectura Harvard existe una memoria específica para datos y una memoria específica para las instrucciones, de esta forma se usan dos buses bien diferenciados. Con esto se logra trabajar con las dos memorias simultáneamente y en consecuencia se obtiene mucha más velocidad en la ejecución de los programas. (Orduña & Arnau, 2017)

Actualmente, la tendencia de los microcontroladores es usar este tipo de arquitectura.

Figura 8. Arquitectura Harvard

3. Procesador de tipo CISC (Complex Instruction Set Computer) Un procesador que permita manejar un amplio juego de instrucciones es llamado de tipo CISC que en español significa Ordenador con Juego de Instrucciones Complejo, programar en este tipo de arquitectura requiere en algunos casos del dominio de hasta centenares de instrucciones. (Espinoza & Pinto, 2021)

 Refrigeradores: Control de temperatura, sensores de apertura de puerta, control de humedad y monitoreo de alimentos.  Lavadoras y secadoras: Control de ciclos de lavado, sensores de carga, programación diferida.  Microondas: Regulación de potencia, temporizador, sensores de temperatura.  Aires acondicionados y calefactores: Regulación de temperatura, sensores de ambiente, control remoto. (Universidad de Cevilla, 2018)

Automatización Industrial

Sensores y Monitoreo de Procesos  Sensores de temperatura y humedad: Control de hornos industriales, cámaras de secado.  Sensores de presión: Monitoreo de sistemas neumáticos e hidráulicos.  Sensores de nivel: Control de líquidos en tanques y depósitos.  Sensores de proximidad (ópticos, inductivos, ultrasónicos): Detección de piezas en cintas transportadoras.

Controladores Lógicos Programables (PLCs) Basados en Microcontroladores

 Líneas de ensamblaje: Coordinación de máquinas en procesos de producción.  Sistemas de embotellado y etiquetado: Control de válvulas y sensores ópticos.  Sistemas de clasificación: Separación de productos por peso o tamaño.

Comunicación Industrial y Redes de Control

 Modbus: Comunicación en dispositivos industriales.  CAN Bus: Redes de comunicación en fábricas y vehículos industriales.  Profibus/EtherCAT: Sincronización de máquinas en tiempo real.  RS-485/UART/I2C: Comunicación con sensores y actuadores. (GeeksforGeeks, 2019)

Energía y sistemas renovables

Regulación y Control de Paneles Solares

 Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT): Maximiza la eficiencia de los paneles solares.  Monitoreo del voltaje y corriente generada.  Optimización del ángulo de los paneles solares (sistemas de seguimiento solar).  Gestión de la carga y descarga de baterías.

Inversores y Convertidores de Energía

 Convertidores DC-DC (Buck, Boost, Buck-Boost): Regulan el voltaje de salida de paneles solares.  Inversores DC-AC: Transforman la energía de baterías en 120V o 220V AC.  Rectificadores AC-DC: Convierten energía de la red eléctrica en corriente continua. (Meera, 2019)

 Inyección electrónica de combustible (EFI).  Control de encendido (chispa).  Regulación de la mezcla aire/combustible mediante sensores de oxígeno.  Control de válvulas (VVT, VTEC, VANOS).  Gestión de sobrealimentación (turbo y supercargadores).

Transmisiones Automáticas y Cajas de Cambios Manuales Electrónicas

Los microcontroladores gestionan el cambio de marchas en transmisiones automáticas, manuales robotizadas (AMT) y de doble embrague (DCT).

 Control de electroválvulas y actuadores hidráulicos.  Sincronización de embragues en transmisiones DCT.  Análisis de carga del motor para optimizar los cambios.  Modo manual/secuencial con levas al volante.

Sistemas de Frenado y Seguridad (ABS, ESP, TCS)

Los microcontroladores en sistemas de frenos antibloqueo (ABS), control de estabilidad (ESP) y tracción (TCS ) mejoran la seguridad en carretera.

 ABS: Previene el bloqueo de ruedas en frenadas de emergencia.  ESP: Corrige la trayectoria si el auto derrapa.  TCS: Evita que las ruedas patinen en aceleraciones bruscas.  EBD: Distribuye la fuerza de frenado entre ejes.

Sistemas de Climatización y Gestión Térmica

Los microcontroladores controlan la temperatura dentro del vehículo y en componentes críticos como el motor y baterías.

 Control automático de aire acondicionado y calefacción.  Regulación de temperatura en baterías de autos eléctricos.  Activación de ventiladores y bomba de agua según la temperatura.  Desempañador inteligente de parabrisas. (Evision Instruments, 2020) V. PLATAFORMAS DE DESARROLLO Las plataformas de desarrollo cumplen un importante rol dentro de la industria Electrónica, permitiendo reducir los tiempos involucrados en el diseño de una solución, aumentando la confiabilidad y velocidad de fabricación de un prototipo y, en ocasiones, transformándose en la base del producto final mismo. Con estas placas, el desarrollador puede concentrarse en afinar las prestaciones de su diseño, más que en implementar funcionalidades de bajo nivel, pues éstas ya han sido resueltas por los fabricantes de la plataforma.

Al fabricar un prototipo, el desarrollador debe construir el hardware sobre el cual correrá el software del producto que ha diseñado, por lo que debe tomar componentes de diversos proveedores, integrarlos y hacerlos funcionar como un conjunto. En este tipo de situaciones, implementar una sencilla función de comunicación serial, podría significar demandar tanto o más recursos y tiempo que el proyecto original. Por esa razón, se ha popularizado el uso de plataformas de desarrollo electrónico. (Perales, 2020)

pues éstas últimas garantizan su funcionamiento, lo que reduce en gran medida los tiempos totales de desarrollo.

Los beneficios de trabajar con una plataforma de desarrollo, la cantidad de información que ofrecen. Las plataformas de desarrollo disponen de una gran cantidad de notas de aplicación y ejemplos de código fuente. Asimismo, ofrecen un gran soporte a los principiantes. (Perales,

¿Cómo elegir la plataforma de desarrollo adecuada? Considerando la gran cantidad de microcontroladores disponibles en el mercado, existe una variedad aún mayor de modelos y versiones de placas de desarrollo, que se diferencian entre sí por las funcionalidades que incorporan.

Los criterios para escoger una plataforma de desarrollo están íntimamente ligados a las necesidades y perfil del usuario. Sin embargo, lo ideal es que la plataforma tenga los atributos necesarios para el proyecto en cuestión (velocidad del procesador, memoria disponible, consumo de energía, etc.) y que incorpore los circuitos y puertos para los dispositivos externos (sensores, módems GSM, Bluetooth, etc.) requeridos por el proyecto en cuestión, ya que esto permitirá un ahorro sustancial en el tiempo de desarrollo del producto definido por el usuario. (Brito, 2019)

Figura 13. Placa de desarrollo

Una buena plataforma de desarrollo permite efectuar múltiples cambios a los proyectos sin tener que migrar o comprar nuevos componentes, además de ser robusta a fallas y permitir la administración de la memoria del dispositivo. En este aspecto, el ideal es que, además de soportar los métodos más tradicionales, la plataforma emplee una tecnología ‘plug-and-play’ para que la única complejidad sea la creación de aplicaciones.

Figura 14.Plug and Play En este campo, la tendencia mundial es la programación en lenguaje C, que permite una rápida reutilización del código de distintos proyectos. Atrás está quedando el uso del lenguaje ensamblador y del Basic. Además, para personas que no tienen conocimientos previos en programación, existen herramientas gráficas, las cuales facilitan la tarea con el uso de bloques.

Figura 15. Arduino 1 La reutilización del código fuente entre diversas iteraciones del mismo producto, o incluso entre proyectos diferentes, es una de las principales ventajas del uso de estas plataformas. En este aspecto, hay algunas que permiten cambiar componentes de comunicación (por ejemplo, reemplazando la tarjeta Ethernet por una de Wi-Fi), haciendo minúsculos cambios en el código.