TRANSMISOR Y RECEPTOR RECEPTOR oPTICO
INTRODUCCIÓN: En la actualidad hay una infinidad de equipos electrónicos basados en la transmisión y recepción óptica, ya sea con dispositivos infrarrojos o con luz visible al ojo humano, posteriormente se harán enlaces juntamente con la fibra óptica, aprovechando sus características benéficas, esto nos lleva a investigar y ejecutar el proyecto denominado transmisor y receptor óptico. Este proyecto trata de mostrar cómo funciona un enlace óptico, para clarificar y tener un aprendizaje significativo de lo que es la fibra óptica y como funciona para transmitir la información; para este cometido se utiliza sensores infrarrojos y un diodo laser para incrementar la distancia entre punto a punto, como se desarrollara desarro llara en el cuerpo del presente informe. Para realizar un enlace óptico a través de sensores infrarrojos y diodos laser, la técnica habitual y la que se utilizara se basa en el establecimiento de enlaces directos tipo LOS (Line of Sight o Línea de Vista) entre emisor y receptor, de forma que si existe un objeto interponiéndose, el enlace es interrumpido.
OBJETIVO: General: i
Implementar
un circuito adecuado para un transmisor y receptor óptico.
Especifico: i
Diseñar
el circuito a ser implementado
i
ealizar R ealizar
las pruebas necesarias de los dispositivos d ispositivos utilizados en la recepción y transmisión.
i
Diseñar
i
ealizar R ealizar
i
Comprobar
el circuito para el e l sensor con su respectiva calibración.
un programa que cumpla las condiciones para un buen funcionamiento del proyecto. experimentalmente el buen funcionamiento del circuito y programa.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
Microcontroladores PIC Arquitectura Harvard: buses internos separados para memoria de datos (8 bits) y de programa (12, 14 ó 16 bits depende de la familia) Microprocesador RISC: juego de instrucciones reducido Estructura pipe-line: durante la ejecución de una instrucción, se está accediendo a la memoria de programa para traer la siguiente instrucción a ejecutar. En cuanto se acaba una instrucción, ya se dispone de la siguiente para ejecutar (salvo que se trate de un salto o llamada a subpr.) Todas las instrucciones ocupan una po sición de memoria de programa
Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción = 4 ciclos de reloj (salvo las instrucciones de salto) Ortogonalidad de los registros: se opera entre el registro de trabajo W y cualquier otro registro, el resultado puede almacenarse en el citado registro o en W.
¿Por qué los Microcontroladores PIC de Microchip?
Eficiencia del código: permiten una gran compactación de los programas R apidez de ejecución: a frecuencia de 20MHz -> 5 millones de instr./seg. Seguridad en acceso por la separación de memoria de datos y de programa Juego reducido de instrucciones y de fácil aprendizaje Compatibilidad de pines y código entre dispositivos de la misma familia o incluso de familias distintas Gran variedad de versiones en distintos encapsulados (desde 8 hasta 84 pines) sin reducción de las prestaciones internas (muy versátiles) Posibilidad de protección del código muy fiable Herramientas de desarrollo software y hardware abundantes y de bajo coste.
Módulos Internos Disponibles en la Familia Media (PIC16) Puertos de Entrada/Salida Puerto Esclavo Paralelo (PSP) Temporizadores/contadores (TMR 0, TMR 1, TMR 2) Captura / Comparación / PWM (CCP1 y CCP2) Conversión Analógica / Digital (A/D) Transmisor R eceptor Asíncrono Síncrono Universal (USAR T ó S CI) Puerto Serie Síncrono Básico ó Maestro (BSSP ó MSSP) Memoria EEPR OM de datos FLASH EEPR OM de programa modificable desde el código Comparador analógico R eferencia de tensión configurable
PIC 16F887:
El nombre verdadero de este microcontrolador es PICmicro - controlador de interfaz periférico (Peripheral Interface Controller), conocido bajo el nombre PIC. Su primer antecesor fue creado en 1975 por la compañía General Instruments. Este chip denominado PIC1650 fue diseñado para propósitos completamente diferentes. Aproximadamente diez años más tarde, al añadir una memoria EEPR OM, este circuito se convirtió en un verdade ro microcontrolador PIC. Todos los microcontroladores PIC utilizan una arquitectura Harvard, lo que quiere decir que su memoria de programa está conectada a la CPU por más de 8 líneas. Hay microcontroladores de 12, 14 y 16 bits, dependiendo de la anchura del bus. La siguiente tabla muestra las características principales de estas tres categorías de los microcontroladores PIC.
CARACTERÍSTICAS
16F887
Frecuencia máxima
DX-20MHz
Memoria de programa flash palabra de 14 bits
8KB
Posiciones R AM de datos
368
Posiciones EEPR OM de datos
256
Puertos E/S
A,B,C,D,E
Número de pines
40
Interrupciones
19
Timers
3
Comunicaciones
Serie
MSSP, USAR T
Líneas de entrada de CAD de 10 bits
8
Juego de instrucciones
35 Instrucciones
Arquitectura
Harvard
CPU
R isc
Canales
Pwm
2
Pila Harware
-
Ejecución En 1 Ciclo Máquina
-
Juego de instrucciones: El juego de instrucciones para los microcontroladores 16F8XX incluye 35 instrucciones en total. La razón para un número tan reducido de instrucciones yace en la arquitectura RISC. Esto quiere decir que las instrucciones son bien optimizadas desde el aspecto de la velocidad operativa, la sencillez de la arquitectura y la compacidad del código. La desventaja de la arquitectura RISC es que se espera del programador que haga frente a estas instrucciones.
Fotodiodo s o fototran si store s: Los transductores fotoeléctricos son aquellos que responden a la presencia de la luz, generando un voltaje eléctrico o corriente, o generan luz en respuesta a la aplicación de una señal eléctrica. La luz puede estar en el espectro visible o, con más frecuencia, en las longitudes de onda cercanas al infrarrojo.
Hay diversos dispositivos sensibles a la luz que se pueden clasificar en tres grupos: Los f ototransistores y f otodiodos (incluyendo los diodos emisores de luz y los de láser) Los fotoconductivos y los fotovoltaicos. Los detectores ópticos más simples son f oto-semiconductores fabricados como diodos o transistores.
Todas las conexiones de semiconductores son sensibles a la luz, y estos detectores se parecen a los dispositivos convencionales, pero se encuentran empaquetados en estuches transparentes para que la luz pueda llegar a la unión. Cuando la radiación incide en la unión se crean pares hueco-electrón en la región de desalojo y si están correctamente dirigidos, fluye una corriente en el circuito externo. Un fotodiodo responderá bien únicamente a un alto nivel lumínico. La sensibilidad normal es de aproximadamente 1A por Watt de luz incidente, pero la mayoría de niveles de luz operativos alcanzan solamente un miliwatt, por lo que el nivel de la corriente suele ser bajo. Es posible obtener una respuesta rápida de unos cuantos nanosegundos con un fotodiodo estándar que opera en dirección inversa. Al incrementarse la frecuencia de la luz incidente, los pares hueco-electrón se generan más cerca de la superficie del material y más lejos de la unión. Esto ocurre porque el coeficiente de absorción lumínica del material se incrementa con la frecuencia. Hay, por lo tanto, un intervalo limitado de frecuencias sobre las que se produce una corriente apreciable. Un fototransistor se basa en el mismo efecto que el diodo simple, pero tiene la capacidad de amplificación de corriente del transistor integrado S en sore s
infrarrojo s: En microrobótica tanto como en robótica, se hace uso de este tipo de emisión de luz (infrarroja) con la intención de detectar obstáculos sin que uno de nuestros modelos tome contacto físico con el mismo. Una vez establecida la comunicación entre emisor y receptor, es posible realizar una transmisión de datos. Existen encapsulados que traen incorporado en su interior tanto al emisor como receptor, de todos ellos, el más conocido es el C NY70, que cuenta con 4 pines, dos para el Diodo IR y dos para el fototransistor:
En la siguiente imagen, se tiene los receptores de IR , el fototransistor negro tiene 3 terminales, de ellos, el de en medio es el emisor y los otros dos son los colectores del fototransistor, en realidad son dos fototransistores encapsulados en uno sólo co n el emisor común.
Diodo
la ser: LASER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Las aplicaciones de estos diodos son muy diversas y cubren desde el corte de materiales con ases de gran energía hasta la transmisión de datos por fibra óptica.
Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso está acompañado con la emisión de un fotón, con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante. Para que el numero de fotones estimulados sea mayor que el de los emitidos de forma espontánea, para que se compensen las perdidas, y para que se incremente la pureza espectral, es necesario por un lado tener una fuerte inversión de portadores, la que se logra con una polarización directa de la unión, y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria de retroalimentación positiva facilitando que se emitan mas fotones de forma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo más angosto al espectro emitido. Un diodo láser produce luz coherente lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro. El diodo láser también se conoce como láser semiconductor o también conocidos como láseres de inyección, Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja). Se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha. La aplicación básica que se le ha dado al diodo LASER es como fuente de alimentación lumínica para sistemas de telecomunicaciones vía fibra óptica. El diodo láser es capaz de proporcionar potencia óptica entre 0.005-25mW, suficiente para transmitir señales a varios kilómetros de distancia y cubren un intervalo de longitud de onda entre 920 y 1650 nm.
- Características: ventajas f rente a los diodos LED Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:
La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en
1.
muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.
2.
La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda.
Debido
a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión. FUNCIONAMIENTO: A. E ta pa
emi sora El circuito de emisión se compone de dos etapas de amplificación (transistor) que controlan la intensidad luminosa del haz de infrarrojos en función de la secuencia codificada y una señal de control, establecida por el programa contenido en el microcontrolador. Como elemento transmisor de luz se ha utilizado un diodo laser para transportar a mayor distancia la señal que es emitida.
B . E ta pa rece ptora En el lado de recepción se encuentra el control basado en un amplificador de corriente junto al foto diodo configurado para la recepción de la señal y una etapa de acondicionamiento de la señal, el cual se constituye por un amplificador operacional configurado como un comparador, para llevarla a la
etapa de adquisición de datos para su posterior procesado en el programa contenido en el microcontrolador respectivo. Como elemento detector se ha utilizado el fotodiodo, cuya longitud de onda se corresponde con el emisor utilizado.
El proceso que realiza el proyecto es el siguiente: 1º El emisor y el receptor se encienden simultáneamente. 2º Un pulso es enviado al microcontrolador de la etapa de transmisión, este se activa para enviar una cierta cantidad de pulsos a través del diodo laser. 3º Los pulsos son enviados activando la etapa de amplificación y activación (transistor) con lo que el diodo laser es activado enviando la señal requerida. 4º En el extremo opuesto, la etapa receptora esta ya calibrada para recepcionar las señales, un pulso llega al fotodiodo; esta señal obtenida es amplificada y comparada, para su procesado posterior. 5º El pulso obtenido a la salida del comparador es procesado dentro del microcontrolador, el cual cuenta los pulsos y los muestra a través de leds, en numeración binaria. 6º En la observación de los dos circuitos debe mostrarse en los leds, el mismo número de pulsos enviados y pulsos recepcionados, si este fuera el caso el funcionamiento es el correcto.
MATERIALES UTILIZADOS: MATERIAL
CANTIDAD
1
µControlador
PIC16F887 ± 877A
2
2
Transistor
BC548
2
3
Amplificador operacional
LM324
1
4
Pulsador
---
2
5
R esistencias
1k, 220, 5k(var)
23
6
Capacitores
100 µF
1
7
Diodo
laser
---
1
8
Fotodiodo
---
1
9
Led
---
17
10
Protoboard
---
2
CIRCUITOS IMPLEMENTADOS: sor: T ran smi
Rece ptor:
CONCLUSIONES: Se logró simular el circuito diseñado para el transmisor y el receptor optico, para que el puerto RC funcionara como salida (leds indicadores de conteo y envío de señales), se utilizo el pin 0 del puerto RD para la señal de control de envío de señal (esto en el transmisor) y para el censado de la señal a la salida del comparador (esto en el receptor) en cada uno de los microcontroladores respectivamente. Esto con el programa PR OTEUS que nos ayudo a observar el buen funcionamiento para después implementarlo. Se logro realizar el programa en el paquete mikroBasic PR O for PIC, que dará un correcto funcionamiento para el proyecto. Se logro implementar el circuito para observar el buen funcionamiento del mismo en forma experimental. De
la misma manera se observo un enlace óptico el cual se comprenderá mejor aplicando el conexionado a una fibra óptica sin la técnica de línea de vista.
