Puente H

Navegando por uno y otro lado, siempre me encuentro con el dilema de la gente a la hora de controlar un motor con un microcontrolador. Hay muchas soluciones en forma de integrados, pero estos son algo limitados y, hasta en algunos casos, demasiado costosos o difíciles de conseguir.

La mejor solución, sin lugar a dudas, es utilizar un puente H, pero con este tema surge otro problema en la gente, ¿como funcionan?, ¿como se arman?, ¿cuál es mejor?... para responder a todas esas preguntas, trataré de explicar aquí de una forma sencilla el funcionamiento de estos.

Se sabe que en un motor de corriente continua, el sentido de giro viene dado por la conexión que se le haga a sus bornes. Entonces para hacer que un robot vaya hacia adelante o hacia atrás, bastará con invertir la polaridad del motor que mueva sus ruedas, el problema es como hacer esto, el PIC solo puede suministrar 5v y 20mA por pin totalmente insuficiente para mover un motor, lo que se intenta lograr es poder controlar una tensión y una corriente superior que la que el integrado pueda darnos por medio de una señal que será enviada por el PIC.

En definitiva, el encargado de controlar esa tensión será el Puente H y el PIC controlará a este último.

Figura 1. Motor de corriente continua conectado a dos interruptores inversores.

Cuando conectamos un motor como en el gráfico de la figura 1, girará en un sentido u otro, o se parará según la combinación de los interruptores, el puente H hace lo mismo con la diferencia de que el control se realizará digitalmente y los interruptores mecánicos se reemplazarán por transistores PNP y NPN. De modo que se puede controlar el motor de una forma muy precisa, y con cambios giro/parada a una velocidad muy elevada, pudiendo controlar la velocidad de giro por una señal PWM (Pulse Width Modulation o Modulación por Ancho de Pulsos).

Figura 2. Puente en H. 

Si se compara la imagen de la figura 1 con el de la figura 2 se observa que es muy similar, puesto que los interruptores de la primera están reemplazados por un par de transistores, cada uno, en la segunda.

Buscando entre los datasheets encontramos el BD677 (NPN) y BD678 (PNP), que son unos transistores complementarios capaces de soportar 60V y 4A. Suficiente para mover cualquier robot de medianas dimensiones.

Entonces sabiendo esto podremos crear nuestro puente H del diagrama utilizando estos componentes:

Q1,Q2	Transistores 2N2222
Q3,Q4	Transistores BD678
Q5,Q6	Transistores BD677
D1,D2,D3,D4	Diodos 1N4007
R1,R2	Resistores de 470Ω
R3,R4	Resistores de 22Ω

Dos puentes H como el aquí mostrado son los encargados de mover al robot SiLMuP, que a su vez son controlados por señales PWM enviadas por un PIC16F876.

Aquí les dejo un vídeo con la demostración del Puente H funcionando, debido a la reductora del motor (es un potenciómetro con motor de equipo de audio) el movimiento es lento, pero el Puente H es apto para mover motores relativamente potentes, hasta 60V y 4A.

En el disipador hay un regulador de voltaje LM7805 y solo se incluyó en el circuito para suministrar la señal de activación avance/retroceso, se podría haber activado con la misma tensión que alimenta al Puente H pero lo incluí para demostrar que el Puente H puede ser perfectamente controlado con un PIC. También sería recomendable, en las enatradas de avance/retroceso, ponerle resistencias pull-down para que no se activen por alguna interferencia.

SiLMuP (mi robot Sigue Líneas MultiPropósito)

Les presento a mi primer robot: SiLMuP ( Sigue Líneas MultiPropósito )

Aún en construcción y sin los sensores instalados.

Construcción:

- El cuerpo del robot está construido con ángulos de aluminio, escuadras metálicas y muchos tornillos.

- Los motores y reductoras son del sistema de detección de monedas de máquinas tragaperras, adaptadas.

- Las ruedas son rodillos para papel de impresora HP DeskJet 670C con unos engranajes recortados y pegados ( en la primer imagen). En la siguiente son del primer fascículo del Citroen C4 de la editorial Salvat escala 1:10.

- La tercera rueda es una rueda de mueble (rueda loca)

Con ruedas de radiomodelismo, el sensor de líneas y un servo para regular la distancia al suelo.

Electrónica:

La fuente es la misma que figura en el apartado "Fuente de alimentación y cargador de baterías" esta compuesta por un regulador de voltaje para la lógica (5v) y otro para alimentación de los IRLED (7v); Tiene un LM317 para cargar las 8 baterías de Ni-MH de 1.2v 2500mAh c/u. La energía para mover los motores de tracción la proporciona directamente las baterías.

El microcontrolador es un PIC16F876 de la casa Microchip programado en CCS C.

Integrados:

2 - 74HC165 para la lectura de sensores.
1 - 74HC595 para el manejo del display LCD y teclas de función.
3 - 74HC14 para estabilizar señales procedentes de los sensores.
1 - MAX232 para la comunicación mediante RS232 a PC.
1 - NE555 para generar la señal para los LED's infrarrojos de todos los sensores.

La etapa de potencia esta formada por dos puentes H hechos con transistores BD677 y BD678 principalmente.

Pronto habrá mas noticias...

SHIFT REGISTER ¿que son y cómo se usan?

Un registro de desplazamiento (shift register en inglés), es un integrado capaz de almacenar bits y presentarlos en sus pines.

Hay varios tipos pero los que aquí nos interesan son los del tipo Serial-Paralelo y Paralelo-Serial, esto significa que en el primer caso los bits "entran" en forma serial (uno a uno) y "salen" de forma paralela, en el segundo caso entrar en paralelo (todos juntos) y salen en serie.

Unos de los integrados que hacen esto, entre muchos otros, son el 74HC595 y el 74HC165, que son Serial/Paralelo y Paralelo/Serial respectivamente.

El pinout del 74HC595 es el siguiente:

Los pines marcados como Q0-Q7 son salidas y reflejan el estado interno de cada bit cuando es activado poniendo a nivel alto el pin 12 (STCP), los datos ingresan de forma serial por el pin 14(DS) cada vez que el pin SHCP pasa de estado bajo a alto ( de 0v a 5v).

También se pueden enlazar varios integrados iguales de modo que ampliamos la cantidad de bits. para ello agregamos un segundo integrado y conectamos la patilla DS a la patilla Q7' del primero.

La secuencia seria la siguiente:
1.Se pone el pin DS en el estado del bit que se quiera ingresar
2.Pin SHCP en bajo
3.Pin SHCP en alto
4.Se repite el proceso hasta enviar los 8 bits
5.Se coloca el pin STCP en bajo
6.Se coloca el pin STCP en alto

y de esa forma aparece el byte en las salidas.

Pinout del 74HC165:

De manera similar funciona el 74HC165 solo que a los bit los "lee" todos juntos.

Aquí las entradas son D0 a D7 y la salida es Q7, PL es el Load y cuando pasa a estado bajo carga los valores de las patas D0-D7 en "memoria" y dandole pulsos altos y bajos a CP los datos van saliendo bit a bit.

Para encadenar varios basta con conectar Q7 de un integrado con DS del siguiente y leer la pata Q7 del último.

Este es el diagrama de conexión para leer 16 bits (2bytes) con dos integrados enlazados:

La forma de proceder sería asi:
Se pone en bajo el Load para tomar el estado de todas las entradas (b0 a b15) luego se envia la señal de reloj poniendo en bajo y luego en alto Clk y se lee el estado de DI (Data-In). Recordar que en DI aparecerá primero el bit mas significativo (MSB).

Esta técnica es válida para controlar un display LCD, o multiplexar cualquier dato.

Aquí esta el código en CSS C:

#include <16f84a.h> 

#define  Clk    Pin_A0 
#define  Load   Pin_A1 
#define  DI     Pin_A2 

#use     fast_io(a) 
#use     fast_io(b) 
 
int Leer_Shift (void); 
 
void main(void){

   set_tris_A(0b10100);
   set_tris_B(0b00000000);

   do{
      if (input(pin_a4)==true) output_b(leer_shift());
   }while(true);

}
int Leer_Shift (void){
   int t;
   int Lectura=0;
   output_low (Load);      // Pongo a low Load para "cargar" el estado de las
   output_high(Load);      // entradas y paso a high para poder leerlas.     

   for(t=0;t<=7;++t){      // Hago un ciclo de 8 pasos (0 - 7) 

      Lectura<<=1;         // Roto los bits de la variable temporal
      Lectura+=input(Di);  // y le sumo el valor del ultimo bit leido      

      output_low(Clk);     // La transicion low-to-high hace que la      
      output_high(Clk);    // memoria interna del integrado rote.
   }
   return Lectura;
}

En el ejemplo, Clock se conectaría al pin 0, Load al pin 1 y DI al pin 2 del Puerto A. Pero este programa solo leerá de b8 a b15, para leer b0 a b15 se deberá usar Int de 16 bits para guardar los datos o dos de 8 bits y guardarlos en variables diferentes. Aparte de todo esto se deberá hacer un bucle de 16 ciclos en lugar de los 8 para leer 1 byte.

Con este circuito el único pin exclusivo para el funcionamiento del registro es el pin A2 (Data in) ya que los otros se pueden conectar a otros circuitos sin que afecten a este.

SiLMuP (todavía en construcción) utiliza un 74HC595 para controlar el display LCD y por el mismo bus controlar las teclas de función y un 74HC165 para leer el estado de los sensores de líneas.

De esta forma controla un display LCD, 4 teclas de función, 8 sensores siguelineas, y proximamente mas sensores y bumpers para obstaculos con 6 pines del pic y solo 3 son exclusivos.