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CAPITULO III: 3.1 Diagrama de flujo del proceso:
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso
Observación:
Para la temperatura utilizamos la niquelina, en cambio para la humedad utilizamos el
calefactor con el cual generamos vapor de agua.
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3.2 Descripción del proceso:
Una vez que tengamos todo armado nosotros podremos configurar la temperatura y
la humedad que nosotros deseamos en el interior del prototipo mediante la PC el
control lo podremos hacer automáticamente o manualmente.
El modulo de control tiene tres partes diferenciadas:
1. Adquisición de datos del sensor
2. Visualización de los datos en el LCD; y
3. la activación / desactivación de los actuadores
Inicialización:
Lo primero que hace el microcontrolador al volver del reset es configurar sus
entradas / salidas, inicializar el LCD, inicializar el bus I2C, inicializar el sensor
SHT15 e inicializar el puerto RS232.
Una vez inicializado el microcontrolador se entra en un bucle infinito que
monitorea continuamente el cual adquiere los datos de humedad y temperatura del
prototipo y actúa en consecuencia para mantenerlo dentro de los niveles de
temperatura y humedad óptimos.
Adquisición: El SHT15 suministra datos de temperatura y humedad de una vez por
segundo.
Actuación: Los valores de temperatura va variando de acuerdo a la edad de los
pollos. Como se observa en la tabla1.
La humedad va estar dentro de estos rangos 50-70%.
Una vez que tenemos la lectura de temperatura y humedad empieza a funcionar de
la siguiente manera:
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Para la temperatura:
• Si la temperatura es igual a la temperatura configurada no se activan ni la
niquelina ni el ventilador.
• Si la temperatura es mayor a la temperatura configurada se enciende
automáticamente los ventiladores de temperatura hasta llevarlo a los
valores óptimos de temperatura configurados.
• Si la temperatura es menor a la configurada se enciende automáticamente
la niquelina, hasta acercarse lo máximo posible a los valores óptimos
configurados, los ventiladores de temperatura arrancan con 10% de su
velocidad para que el aire caliente circule por todo el prototipo y cuando la
temperatura llegue a la requerida los ventiladores van estar funcionando al
100% de su velocidad.
Para la humedad:
• Si la humedad esta dentro de la humedad configurada no se activan ni el
calefactor ni el ventilador.
• Si la humedad es mayor a la configurada se enciende automáticamente los
ventiladores de humedad hasta acercarse lo máximo posible a los valores
óptimos configurados.
• Si la temperatura es menor a la configurada se enciende automáticamente
la niquelina hasta acercarse lo máximo posible al valor óptimos
configurado, los ventiladores de humedad arrancan con 10% de su
velocidad para que la humedad circule por todo el prototipo y cuando la
humedad llegue a la requerida los ventiladores van estar funcionando al
60% de su velocidad.
La comunicación I2C: Esto nos permite tener un reloj en tiempo real con capacidad
para contar segundos, minutos, horas, días, meses, días de la semana, y años.
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Necesita una batería (pila) de 3 voltios para mantener el reloj funcionando cuando se
quita la alimentación.
Puerto serial: Para la comunicación se lo hace mediante el puerto serial con el
cual vamos a visualizar las variables de temperatura y humedad.
Estas variables las vamos a poder controlar mediante la PC ya sea de forma
automática o manual de acuerdo al requerido.
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3.3 Descripción General
Figura 4. Diagrama general
EL SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN Y MONITOREO DE UNA PLANTA
AVÍCOLA, esta conformado por dos módulos independientes los cuales son:
Modulo de estación remota y modulo de estación de control, que interactúan entre si
para lograr el objetivo de implementar un sistema automático de control de
temperatura y humedad optima que se debe conservar dentro del galpón.
Cada uno de los módulos están conformados por subsistemas que deben cumplir
ciertas características mínimas para lograr la funcionalidad del conjunto.
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El modulo estación de control cuenta con todo el hardware como son: el
microcontrolador, el sensor, etc y en el modulo de la estación remota reside en un
PC. El software Visual Basic 6.0 para realizar la programación manual o automática
y los horarios de temperatura y humedad que debe tener el galpón cada semana.
Para que estos módulos puedan interactuar y comunicarse se lo hace mediante el
puerto RS232, el cual permite el intercambio de datos.
La estación remota esta conformada por 4 salidas digitales que controlan el
encendido o apagado de los ventiladores para la temperatura, ventiladores para la
humedad humedad, el calefactor para la humedad y la niquelina para le temperatura
y otra entrada digital que recibe los datos generados por el sensor SHT15 que
supervisa la temperatura y humedad del galpón.
La función de supervisión y control se realiza en la estación remota mediante una
interfaz RS232 que permite:
• Controlar el encendido o apagado de forma manual o automática los
ventiladores tanto para temperatura como para la humedad, el calefactor
y la niquelina ya sea mediante la programación de horarios que debe tener
el galpón según sea la semana o en cualquier momento a criterio del
administrador.
La estación remota, esta diseñada utilizando el programa Visual Basic 6.0 la cual se
encarga de recibir datos y enviarlos mediante la interfaz RS232 al microcontrolador
ATMEGA 88 donde se procesa la información.
El modulo estación de control se implementó con un microcontrolador ATMEGA
88, en el cual se programaron rutinas para la inicialización de variables y periféricos,
lectura de datos de entrada, control de encendido y apagado de los ventiladores , el
calefactor y la niquelina, verificación de niveles de temperatura y humedad. A partir
de estos datos se define la toma de acciones de control y su envío a la estación
remota.
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La verificación de los niveles óptimos de temperatura y humedad se compara con el
valor obtenido del sensor; si este valor se encuentra por debajo de los rangos
establecidos el modulo de control iniciara el encendido de los ventiladores, el
calefactor o la niquelina, según sea el caso, de forma automática este reportara a la
estación remota su estado, enviando datos que contienen la medida del sensor
SHT15.
3.3.1 Modulo Estación de control:
Figura 5. Diagrama general del hardware
Como se muestra en la figura, este modulo se divide varios bloques, cada uno con
una tarea especifica que unidas permiten lograr la autonomía y funcionalidad del
sistema.
A continuación se explica cada uno de los bloques que conforman el modulo de
control.
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3.3.1.1 DESCRIPCIÓN Y MONTAJE DE LOS ELEMENTOS UTILIZADOS
EN EL MODULO ESATACION DE CONTROL:
3.3.1.2 Instrucciones de montaje
El circuito completo puede considerarse que está formado por diez subsistemas o
módulos más simples que pueden ser ensamblados y probados independientemente.
De esta forma podemos organizar el montaje en una serie de pasos que nos permitan
garantizar que el proceso de ensamblado del circuito completo se realiza
correctamente, detectando los errores que pudieran cometerse mediante pruebas
intermedias. Los diferentes pasos a seguir se relacionan a continuación:
3.3.1.2.1 Microcontrolador ATMEGA 88
3.3.1.2.2 Circuito del LCD
3.3.1.2.3 Circuito para el manejo de la temperatura y la humedad
mediante los reles de estado sólido
3.3.1.2.4 Regulador de tensión
3.3.1.2.5 Circuito para el accionamiento de los ventiladores de
humedad y ventiladores de temperatura mediante
transistor como interruptor
3.3.1.2.6 Circuito de tiempo real
3.3.1.2.7 Sensor SHT15
3.3.1.2.8 Circuito para obtener una señal DC pura
3.3.1.2.1 Microcontrolador ATMEGA 88
Los microcontroladores se han ido introduciendo en nuestro medio por el avance
tecnológico que el país ha alcanzado en los últimos años.
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Los microcontroladores son dispositivos integrados en un solo chip de entradas
salidas las cuales pueden ser programadas según la necesidad.
3.3.1.2.1.1 La arquitectura de un microcontrolador normalmente es la siguiente:
• unidad central de proceso
• memoria RAM de datos volátil
• memoria EEPROM de datos no volátil
• memoria FLASH de programa
• entradas / salidas
• puerto serial
• conversores analógico digital
• conversores digital analógico
• temporizadores
• PWM (modulación de ancho de pulso)
• RTC reloj en tiempo real
• SPI
• I2C
• USB
• Y OTROS MANEJADORES DE PERIFERICOS
Existen dos tipos de tecnologías: RISC y CISC.
RISC: reducción de instrucciones
CISC: instrucciones complejas
La tecnología RISC se basa en la arquitectura Harvard, la cual el dato mas la
instrucción ingresan en forma paralela al bus de datos. Utilizada en los computadores
MAC.
La tecnología CISC se basa en la arquitectura Von Neumann, la cual envía el dato
luego la instrucción e ingresan al bus de datos en forma serial. Utilizados en los
computadores PC. Con lo cual se saca una conclusión importante, que los
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microcontroladores con arquitectura Harvard serán los más utilizados de hoy en
adelante por ser más rápidos en procesar la información.
AT89S51 PIC16F877 ATMEGA16
I/O (Entrada/Salida) 32 33 32
FLASH 4K 8K 16K
RAM 128
BYTE
368BYTE 1KBYTE
EEPROM ND 256BYTE 512BYTE
PWM ND 2 4
ADC (conversor analógico
digital)
ND 8 10BITS 8 10BITS
TIMER 8 BITS
PRESCALER
ND 2
PRESCALER
2
PRESCALER
TIMER 16 BITS
PRESCALER
2 1
PRESCALER
1
PRESCALER
IN CIRCUIT SI SI SI
UART 1 1 1
SPI ND 1 1
I2C ND 1 1
CM (Ciclo de maquina) F/12 F/4 F
1K$ 1 4 3
ND: .no dispone
F: frecuencia
RAM: memoria de escritura y lectura
Tabla 3. Característica de algunos microcontroladores utilizados en nuestro
medio.
Y podríamos innumerar más características para poder decidir el uso del
microcontrolador que se adecue a nuestro proyecto.
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3.3.1.2.1.2. ATMEGA 88
El microcontrolador de 8 bits AVR de tecnología RISC de Atmel es un
microcontrolador muy popular. Este microcontrolador es un chip con EPROM, Ram,
un conversor Analógico-Digital, unas cuantas entradas y salidas digitales, timers,
para comunicación RS 232 y muchas otras cosas.
En el Atmega88 no es necesario un cristal. Ya que actualmente el tiene incorporado
un oscilador. Se puede usar este oscilador cuando no se necesite un alta precisión de
reloj.
El microcontrolador Atmega88 de Atmel presenta muchos circuitos digitales y
análogos de entrada / salida. Es el dispositivo ideal para desarrollar cualquier clase
de equipo de medición.
3.3.1.2.1.3. Descripción del microcontrolador:
Parámetros importantes:
• 88-Kbyte Memoria de Programa
• 1-Kbyte SRAM
• 512 Bytes EEPROM no volátil
• 6 canales A/D (analógico / digital) de 10 bits
• Funcionamiento con voltaje de 2.7V (voltaje) hasta 5.5V
• Velocidad del reloj hasta 20Mhz (Mega hertz)
• Todas las instrucciones del ciclo de reloj (hasta 20MIPS)
• Cuatro PWM
• Puertos de la comunicación SPI, I2C y RS232
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3.3.1.2.1.4. Configuración de pines:
Figura 6. Configuración de pines del ATMEGA88
PB0/ICP14
PB1/OC1A15
PB2/SS/OC1B16
PB3/MOSI/OC217
PB4/MISO18
PB5/SCK19
PC0/ADC023
PC1/ADC124
PC2/ADC225
PC3/ADC326
PC4/ADC4/SDA27
PC5/ADC5/SCL28
PC6/RESET1
PB6/XTAL1/TOSC19
PB7/XTAL2/TOSC210
PD0/RXD2
PD1/TXD3
PD2/INT04
PD3/INT15
PD4/XCK/T06
PD5/T111
PD6/AIN012
PD7/AIN113
AVCC20
AREF21
U1
ATMEGA88
RESET
DATASCK
R11
470K
SCR1SCR2
RXDTXD
PD6PD5
PB1PB2
D7D6D5D4
ERS
Figura 7. Esquema del circuito de conexión del microcontrolador
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3.3.1.2.2 Circuito del LCD (Display de cristal liquido) de (16x2):
Estos dispositivos ya vienen con su pantalla y toda la lógica de control pre-
programada en la fabrica y lo mejor de todo es que el consumo de corriente es
mínimo y no se tendrán que organizar tablas especiales como se hacia anteriormente
con los displays de siete segmentos.
Cuando se adquiere un display LCD lo primero que se puede observar es su
apariencia externa. Éste se compone de una placa de circuito impreso rectangular, de
un tamaño similar al del “display”, sobre la que van soldados el LCD, el controlador
y el resto de componentes, formando todo un conjunto compacto.
Las aplicaciones de los módulos LCD son infinitas ya que podrán ser aplicados en la
informática, comunicaciones, telefonía, instrumentación, robótica, automóviles,
equipos industriales, etc. Todo queda a su imaginación la gran cantidad de
aplicaciones que tiene un modulo LCD.
Figura 8. Módulo LCD
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R110k
R2330R
D7
14
D6
13
D5
12
D4
11
D3
10
D2
9
D1
8
D0
7
E6
RW
5
RS
4
VS
S1
VD
D2
VE
E3
A15
K16
LCD1LCD
R
10R
D7
D6
D5
D4
E RS
Figura 9. Circuito del LCD(16x2)
En la tabla 4. se describe la conexión del puerto del microcontrolador a los pines del
LCD:
Puerto Pin LCD
PC5 RS
PC4 E
PC3 D4
PC2 D5
PC1 D6
PC0 D7
Tabla 4. conexión del puerto del microcontrolador a los pines del LCD
3.3.1.2.2.1. Pines de conexión:
Los pines de conexión de un modulo LCD han sido estandarizados por lo cual en la
mayoría de ellos son exactamente iguales siempre y cuando la línea de caracteres no
sobrepase los ochenta caracteres por línea. Por otro lado es de suma importancia
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localizar exactamente cual es el pin Numero 1 ya que en algunos módulos se
encuentra hacia la izquierda y en otros módulos se encuentra a la derecha.
Pin N-. Simbología Nivel I/O Función
1 VSS - - 0 Vlts. Tierra ( GND ).
2 VCC - - + 5 Vlts. DC.
3 Vee = Vc - - Ajuste del Contraste.
4 RS 0/1 I
0= Escribir en el modulo LCD.
1= Leer del modulo LCD
5 R/W 0/1 I
0= Entrada de una Instrucción.
1= Entrada de un dato.
6 E 1 I Habilitación del modulo LCD
7 DB0 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 1 ( LSB ).
8 DB1 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 2
9 DB2 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 3
10 DB3 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 4
11 DB4 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 5
12 DB5 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 6
13 DB6 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 7
14 DB7 0/1 I/O BUS DE DATO LINEA 8 (MSB).
15 A - - LED (+) Back Light
16 K - - LED (-) Back Light.
Tabla 5. Descripción de cada uno de los pines del LCD
Autor: Mauricio Alberto Orozco Salguero
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3.3.1.2.2.2. Interpretación del significado de los Pines del Modulo LCD
El Pin numero 1 y 2 están destinados para conectarle los 5 Voltios que requiere el
modulo para su funcionamiento y el Pin numero 3 es utilizado para ajustar el
contraste de la pantalla; es decir colocar los caracteres mas oscuros o mas claros para
poderse observar mejor.
El Pin numero 4: denominado "RS" trabaja paralelamente al Bus de datos del
modulo LCD ( Bus de datos son los Pines del 7 al 14 ). Este bus es utilizado de dos
maneras, ya que usted podrá colocar un dato que representa una instrucción o podrá
colocar un dato que tan solo representa un símbolo o un carácter alfa numérico; pero
para que el modulo LCD pueda entender la diferencia entre un dato o una instrucción
se utiliza el Pin Numero 4 para tal fin.
Si el Pin numero 4 = 0 le dirá al modulo LCD que esta presente en el bus de datos
una instrucción, por el contrario, si el Pin numero 4 = 1 le dirá al modulo LCD que
esta presente un símbolo o un carácter alfa numérico.
El Pin numero 5: denominado "R/W" trabaja paralelamente al Bus de datos del
modulo LCD ( Bus de datos son los Pines del 7 al 14 ). También es utilizado de dos
maneras, ya que usted podrá decirle al modulo LCD que escriba en pantalla el dato
que esta presente en el Bus; por otro lado también podrá leer que dato esta presente
en el Bus.
Si el Pin numero 5 = 0 el modulo LCD escribe en pantalla el dato que esta presente el
Bus; pero si el Pin numero 5 = 1 significa que usted necesita leer el dato que esta
presente el bus del modulo LCD.
El Pin numero 6: denominado "E" que significa habilitación del modulo LCD tiene
una finalidad básica: conectar y desconectar el modulo. Esta desconexión no estará
referida al voltaje que le suministra la corriente al modulo; la desconexión significa
tan solo que se hará caso omiso a todo lo que este presente en el bus de datos de
dicho modulo LCD.
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En la mayoría de los circuitos electrónicos modernos que incluyan elementos
electrónicos como Microcontroladores, Memorias y Módulos LCD, utilizan el mismo
bus de datos. Esto es para no tener un bus de datos independientemente por cada
elemento electrónico, esto implicaría que los circuitos electrónicos sean mucho mas
grandes por la cantidad de conexiones necesaria a cada uno de los elementos.
Ahora como los Microcontroladores, memorias y módulos LCD utilizan el mismo
bus de datos, deberá existir en cada uno de ellos un Pin de habilitación "E" que
permita desconectar y conectar cuando sea necesario. Por ejemplo si usted necesita
trabajar con la memoria RAM para obtener o escribir cierta información, será
necesario que deshabilite el modulo LCD para que no presente basura en la pantalla,
o se ejecuten instrucciones no deseadas.
Los Pines desde el numero 7 hasta el numero 14 representan 8 líneas que se
utilizan para colocar el dato que representa una instrucción para el modulo LCD o un
carácter alfa numérico. El Bus de datos es de 8 Bits de longitud y el Bit menos
significativo esta representado en el Pin numero 7, el Pin mas significativo esta
representado en el Pin numero 14
Los Pines 15 y 16: estarán destinados para suministrar la corriente al Back Light. Es
importante conocer que no todos los módulos LCD disponen del Back Light aunque
tenga los pines de conexión en el circuito impreso.
3.3.1.2.3 Circuito para el manejo de la temperatura y la humedad mediante los
reles de estado sólido:
Mediante el siguiente circuito vamos a dar la señal a los reles de estado sólido para
que estos manejen cargas que funcionen con 120V de la red eléctrica. Las cargas que
utilizamos son: 2 calefactores para la humedad de 500W y 1 niquelina para la
temperatura de 600W.
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38
1 2
J7HUMEDAD
1 2
J9TEMPERATURA
D7
LED-RED
D8
LED-RED
SCR1
SCR2
Figura 10. Circuito para el manejo de la temperatura y la humedad
Puerto Salidas a los reles
PB7 SCR1 (rele de control de humedad)
PB6 SCR2 (rele de control de temperatura)
Tabla 6. Puertos y señales de salidas de los reles
La señal digital a SCR1 proveniente del puerto PB7 y la otra señal digital SCR2
proviene del puerto PB6 del microcontrolador. Estas señales es limitada en corriente
y aplicada al cátodo del LED. El microcontrolador envía una señal ON/OFF a los
reles de estado sólido y estos a su vez encienden las niquelinas.
Un relé es un sistema mediante el cuál se puede controlar una potencia mucho mayor
con un consumo en potencia muy reducido.
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Existen diferentes tipos de reles pero el que utilizamos es el relé de estado sólido.
3.3.1.2.3.1. Estructura de un relé
Figura 11. Estructura de un relé
Autor: Ciencias Místicas - http://www.cienciasmisticas.com.ar/ - El sitio de
electrónica, informática y tecnología
Circuito de entrada, control o excitación.
• Circuito de acoplamiento.
• Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:
- circuito excitador.
- dispositivo conmutador de frecuencia.
- protecciones.
3.3.1.2.3.2. Características generales
Las características generales de cualquier relé son:
• El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.
• Adaptación sencilla a la fuente de control.
• Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el
de salida.
• Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se
caracterizan por:
-En estado abierto, alta impedancia.
- En estado cerrado, baja impedancia.
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Para los relés de estado sólido se pueden añadir :
• Gran número de conmutaciones y larga vida útil.
• Conexión en el paso de tensión por cero, desconexión en el paso de
intensidad por cero.
• Ausencia de ruido mecánico de conmutación.
• Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS.
• insensibilidad a las sacudidas y a los golpes.
• Cerrado a las influencias exteriores por un recubrimiento plástico.
3.3.1.2.3.3. Relés de estado sólido
Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito electrónico que
contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor
semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR se entenderá un producto
construido y comprobado en una fábrica, no un dispositivo formado por
componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito
impreso.
Estructura del SSR:
• Circuito de Entrada o de Control:
Control por tensión continua: el circuito de entrada suele ser un LED
( Fotodiodo), solo o con una resistencia en serie, también podemos
encontrarlo con un diodo en antiparalelo para evitar la inversión de la
polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL,
CMOS, y otros valores normalizados ( 12V, 24V, etc.).
Control por tensión Alterna: El circuito de entrada suele ser como el anterior
incorporando un puente rectificador integrado y una fuente de corriente
continua para polarizar el diodo LED.
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• Acoplamiento.
El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un optoacoplador o
por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma
magnética con el circuito de disparo del Triac.
• Circuito de Conmutación o de salida.
El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia
con su correspondiente circuito excitador. Este circuito será diferente según
queramos conmutar CC, CA.
3.3.1.2.4 Regulador de tensión:
Toda la electrónica del prototipo precisa ser alimentada a 5 voltios. La línea de
reguladores ideales para este tipo de necesidades es la conocida como LM7805. La
tensión se observa en la siguiente tabla:
Número Tensión de salida
LM7805 5 Voltios
Tabla 7. Tensión de salida del LM7805
Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, una corresponde a la
entrada de tensión no regulada, otra es la salida regulada y la restante es la masa
común a ambas.
Se conectará según el esquema adjunto. Comenzar el montaje con los bornes, luego
se montarán los condensadores C6 y C12 que se halla a la entrada del regulador,
estos capacitores filtran la tensión de posibles transitorios y picos indeseables, y los
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capacitores que se encuentran a la salida C5 y C7, disminuyen la tensión de rizado
de salida, a la vez que evita oscilaciones.
VI1
VO3
GN
D2
U47805
C6100n
C5100n
+5V
VCC+
C1210u
C710u
12
J6
12V
Figura 12. Esquema de conexión del regulador de tensión
En ningún caso deberemos conectar las líneas de alimentación del micro, ya que
primero deberá probarse el correcto funcionamiento del regulador. Para todas las
pruebas iniciales es recomendable utilizar una fuente que permita limitar la corriente
de salida. Se puede limitar la corriente máxima a 150 mA (mili amperio). (máximo
200 mA.). En caso de no disponer de una fuente de estas características se deberá
colocar un fusible de entre 150 y 200 mA en la entrada de alimentación, siendo
recomendable dejarlo de forma permanente, de este modo, en caso de producirse un
cortocircuito accidental el prototipo estará protegido siempre.
3.3.1.2.5 Circuito para el accionamiento de los ventiladores de humedad y
ventiladores de temperatura mediante transistor como interruptor:
La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados
lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte ( es un interruptor
abierto) cuando:
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corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)
o en saturación (interruptor cerrado) cuando:
corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima)
Mediante los transistores vamos a activar o desactivar a los ventiladores de humedad
o de temperatura según sea el caso. La señal que envía el microcontrolador es una
señal PWM (modulación de ancho de pulso) con lo cual vamos a controlar la
velocidad de los ventiladores.
Como la carga es inductiva al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la
"patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una
protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante (D1, D2).
Q1TIP122
R3
10k
D11N4007
Q2TIP122
R4
10k
D21N4007
VC
C+
VC
C+
1
2
J3
VENT HUMEDAD
1
2
J4
VENT TEMPE
PB1 PB2
Figura 13. Circuito para el accionamiento de los ventiladores de humedad y
ventiladores de temperatura
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Puerto Función
PORTB1 (PWM1) Control del ventilador de temperatura
PORTB2 (PWM2) Control del ventilador de humedad
Tabla 8. Puertos y función el accionamiento de los ventiladores de humedad y
ventiladores de temperatura
3.3.1.2.6 CIRCUITO EN TIEMPO REAL (RTC):
El RTC es el dispositivo usado en el modulo de control con el fin de dar la fecha y la
hora por medio del LCD.
Para el RTC se empleo el modelo DS1307 de Dallas Semiconductor:
3.3.1.2.6.1.CARACTERÍSTICAS DEL DS1307:
• Reloj en tiempo real con capacidad para contar segundos, minutos, horas,
días, meses, días de la semana, y años.
• Necesita un cristal de cuarzo de 32.768KHz para que el oscilador interno
genere la temporización adecuada.
• Necesita una batería (pila) de 3 voltios para mantener el reloj funcionando
cuando se quita la alimentación.
• Dispone de 56 bytes de memoria RAM interna no volátil (mantenida con la
batería).
• Configuración, lectura y escritura mediante conexión serie I2C
• Rango de temperatura: -40°C a +85°C
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Figura 14. Grafico de distribución de pines del DS1307
Autor: www.maxim-ic.com
3.3.1.2.6.2.DESCRIPCIÓN DE LOS PINES DEL DS1307:
• VCC (voltaje continuo) +5V
• X1, X2 - Conexión de cristal 32.768kHz
• VBAT - +3V Entrada de la Batería
• GND - Tierra
• SDA – Datos seriales
• SCL – señal de reloj
• SQW/OUT – Señal de salida Cuadrada
X1
CRYSTAL
D4LED-RED
R6330R
X11
X22
VBAT3
VDD8
SQW7
SCL6
VSS4
SDA5
U10
DS1307
R710k
R810k
R9
330R
R10
330R
21
BATT1BATT
PD6
PD5
Figura 15. Circuito en tiempo real
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La programación y lectura de datos del tiempo real, se encuentra implementada con
el protocolo I2C, a través de 2 puertos I/O del microcontrolador.
Los puertos y señales del tiempo real que permiten la implementación del protocolo
I2C se muestran a continuación:
Puerto Función
PORTD5 SCL (Entrada de señal de reloj)
PORTD6 SDA (Datos seriales de entrada / salida)
Tabla 9. Puertos y señales tiempo real
Las señales SDA y SCL transportan información entre los dispositivos.
Las señales SDA y SCL son bidireccionales, conectadas al positivo de la
alimentación a través de las resistencias de pull-up. Cuando el bus está libre, ambas
líneas están en nivel alto.
3.3.1.2.7. SENSOR SHT15:
El SHT15 con sensor de humedad digital y el sensor de temperatura es totalmente
calibrado y ofrece precisión alta y excelente estabilidad a bajo costo. La Tecnología
de CMOSens® digital integra dos sensores y circuitería en un solo chip.
3.3.1.2.7.1. DESCRIPCIÓN:
Es un sensor integrado de humedad calibrado en fábrica con salida digital mediante
un bus serie sìncrono y protocolo especifico. El dispositivo también dispone de un
sensor de Temperatura integrado para compensar la medida de humedad
dependiendo de la temperatura, en casos extremos. Cuenta también en su interior con
un calefactor para evitar condensación en el interior de la cápsula de medida para
condiciones de niebla o similar donde existe condensación.
Su tamaño diminuto y bajo el consumo de poder le hace la última opción para
incluso las aplicaciones más exigentes.
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3.3.1.2.7.2. CARACTERÍSTICAS:
• Rango de temperatura: -40 ºC a +123,8 ºC.
• Precisión de temperatura: +/- 0,5 ºC @ 25 ºC.
• Rango de humedad: 0 a 100% RH.
• Precisión de RH absoluto: +/- 3,5% RH.
• Consumo de baja potencia: Típicamente 30uW 8micro watio)
• Costo bajo
• Sensor de alta precisión y al costo bajo
3.3.1.2.7.3. APLICACIONES:
• Estaciones meteorológicas portátiles
• Transmisores
• Automatización y control de procesos
• Control de edificios y aire Condicionado
• Humidificadores y Deshumidificadores
• Medición
• Medicina
Tipo de
sensor
Precisión de
humedad
(%RH)
Precisión de
temperatura
( OC )
Paquete
SHT15 +/- 2.0
+/-0.4 @ 5-40 °C SMD (Dispositivo de
montaje superficial)
Tabla 10. Especificaciones del sensor
Fuente: www.sensirion.com
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Parámetros Min. Máx. Unidades
Humedad
Rango 0 100 %RH
Temperatura
Rango -40 123.8 oC
Tabla 11.Parámetros del sensor
Fuente: www.sensirion.com
Figura 16. Diagrama de bloque del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
3.3.1.2.7.4. ESPECIFICACIONES DE INTERFASE:
Figura 17. Especificaciones de interfase del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
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Este sensor se comunica con el microcontrolador o master a través de una línea de
datos y otra de reloj. Como limitación tiene el que no se le pueden pedir datos más de
tres veces por segundo para evitar que se caliente y falsee las mediciones.
3.3.1.2.7.5. PIN DE POLARIZACIÓN:
El SHT15 requiere un suministro de voltaje entre 2.4 y 5.5 Voltios. Después de
polarizar el dispositivo necesita 11ms para localizar su estado. Ningún orden debe
enviarse antes de ese tiempo.
3.3.1.2.7.6. Interfase de serie (Bidireccional):
La interfase de serie del SHT15 se perfecciona para el sensor, no es compatible con
las interfaces I2C.
3.3.1.2.7.7. ENTRADA SERIAL DE RELOJ (SCK):
El SCK sirve para sincronizar la comunicación entre un microcontrolador y el sensor.
Dado que la interfase consiste en lógica totalmente estática no hay ningún SCK
mínimo de frecuencia.
3.3.1.2.7.8. DATOS DE SERIE (DATOS):
El pin DATA corresponde a la salida/entrada de datos para comandar y leer el sensor
es un pin triestado por lo que necesita de una resistencia de polarización a Vcc (push-
up) sin esta resistencia la medida que realiza el sensor es errónea. SCK se utiliza para
sincronizar la transmisión y no dispone de frecuencia mínima.
3.3.1.2.7.9. TRANSMISIÓN START:
Para comunicarse con el SHT15 lo primero que hay que hacer es mandar una
secuencia de Inicio de Transmisión "Transmission Start". Esta consiste en poner a
cero lógico la línea de datos mientras SCK esta a uno, seguidamente se genera un
pulso bajo en SCK mientras la línea DATA sigue a cero y para finalizar se pone a 1
DATA mientras SCK esta a 1, seguidamente se baja a cero también SCK y finaliza la
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secuencia dejando la línea de datos y Clock en los estados lógicos por defecto,
DATA en estado alto y SCK en estado bajo.
Figura 18. Inicio de transmisión del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
Lo siguiente será mandar un comando de los siguientes que acepta:
Comando Código binario
Reservado 0000x
Medida de Temperatura 00011
Medida de Humedad 00101
Leer el registro de estado interno 00111
Escribir el registro de estado interno 00110
Reservado 0101x-1110x
Generar un Reset al software interno,
reponiendo a los valores por defecto el
registro de estado. Hay que esperar
11mS al menos después de mandar este
comando.
11110
Tabla 12. Comandos y códigos binarios del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
El protocolo de transmisión de comandos esta basado en un byte completo o lo que
es lo mismo 8 bits, como los comandos son de 5 bits tan solo el resto de bits a la
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izquierda siempre serán 0. Por lo que se mandaran primero los 3 ceros seguido del
comando para completar el byte.
El SHT15 indicará una recepción valida con un pulso de ACK en la línea de datos
que es bidireccional (no lo olvidemos) y lo hará en el siguiente pulso de CLK
después de haber completado los 8 bits del comando, por lo tanto acto seguido
después de enviar el comando hay que configurar como entrada el puerto del
microcontrolador conectado a DATA del SHT15 y generar una señal de CLOCK
para que el sensor nos mande su respuesta ACK y lo hará poniendo la línea a nivel
bajo ya que como se dijo mas arriba la línea de datos esta polarizada a VCC por lo
tanto siempre hay un 1 lógico en ella y lo que hace el SHT15 es forzar a 0 lógico con
su salida a colector abierto.
3.3.1.2.7.10. SECUENCIA DE MEDIDA:
Suponiendo que ya sabemos mandar un comando y por ejemplo hemos mandando
un comando "00000101" correspondiente a "Medida de Humedad", una vez recibido
el ACK desde el sensor hay que esperar a que este complete la adquisición y nos
entregue su medida, esto suele tardar unos 55mS para una resolución de salida de
12bits o bien, unos 11mS para una resolución de 8 bits. Como este tiempo de
adquisición no es muy exacto y puede variar dependiendo de la alimentación del
sensor, y por lo tanto de su oscilador interno. Para evitar esperas innecesarias el
sensor genera un pulso bajo en la línea de datos y así se sabe que lo siguiente ya
serán datos validos, esto se hace comprobando la línea de datos cada x tiempo hasta
que esta pase a nivel bajo. Si es nivel alto aun no a acabado y cuando recibamos un
nivel bajo será la indicación de adquisición completada y pasaremos a leer la medida
del sensor.
Ahora se generan 8 pulsos de reloj en la línea CLK y se guarda el estado de cada bit
que nos retornara el sensor. La trama que retorna el sensor se compone de 3 bytes, el
primero corresponde a MSB el segundo a LSB y el tercero es el CRC-8 Checksum
para comprobar que el dato a llegado correcto, pero lo podemos ignorar generando
NACK después de la llegada del segundo byte (LSB). Como puede observarse el
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dato de la medida se compone de 2 bytes aunque como mucho el dato valido será de
12 bits de resolución, pero aunque configuremos el sensor para una resolución de 8
bits.. siempre leeremos 2 bytes ignorando el MSB en este caso.
Después de cada 8 bits recibidos el microcontrolador a de generar un ACK para que
el sensor sepa que ya a recibido los datos. Esto se hace generando un flanco de
subida en CLK mientras DATA esta a nivel bajo. Después de esto se continua con la
lectura de otro byte.
Para acabar la trama se genera desde el microcontrolador un NACK (NoACK) esto
es lo mismo que el ACK pero en vez de mantener la línea DATA a nivel bajo la
tendremos que poner a 1 generando mientras esto pasa un flanco de subida en CLK
igual que antes.
Figura 19. Secuencia de medida del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
El sensor admite unas dos adquisiciones o medidas por segundo por lo que no se
debe forzar la lectura con refrescos superiores a este, y ni que decir que una medida
de este tipo no necesita un refresco tan elevado.. lo normal seria una medida cada 5 o
10 segundos o mas incluso.
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3.3.1.2.7.11. CONVERSIÓN DE LAS SALIDAS A VALORES FÍSICOS:
3.3.1.2.7.11.1. HUMEDAD RELATIVA
Para compensar la no linealidad del sensor de humedad y para obtener la exactitud de
la salida se recomienda utilizar la siguiente formula:
RHlinear = C1+C2*SORH+C3*SORH2
SORH C1 C2 C3
12 bit -4 0.0405 -2.8*10-6
Tabla 13. Coeficientes de conversión de humedad
Fuente: www.sensirion.com
El sensor de humedad no depende del voltaje.
Compensación depende de RH / Temperatura
Para temperaturas significativamente diferente de 25°C el coeficiente de temperatura
del sensor de RH debe ser considerado:
RHtrue = (T0C – 25)*(t1+t2*SORH)+RHlinear
SORH t1 t2
12 bit 0.01 0.00008
Tabla 14. Coeficientes de compensación de temperatura
Fuente: www.sensirion.com
Esto equivale a: ~0.12 %RH / °C @ 50 %RH
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3.3.1.2.7.11.2. TEMPERATURA:
Para obtener la exactitud de la salida del sensor de temperatura se recomienda utilizar
la siguiente formula:
Temperatura = d1+d2*SOT
Tabla 15. Coeficientes de
conversión de temperatura.Fuente: www.sensirion.com
3.3.1.2.7.12. DESCRIPCIÓN DE PINES DEL SENSOR SHT15:
Figura 20. Descripción de pines del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
VDD d1(0C) d1(
0f)
5V -40.00 -40.00
SOT d2(0C) d2(
0f)
14bit 0.01 0.018
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55
1
2
34
5
J5
SENSOR SHT15
DATASCK
R20470K
Figura 21. Circuito del SHT 15
Pin Nombre Color Comentario
1 GND Negro Tierra
2 DATA Rojo Datos serial, bidireccional
3 SCK Amarillo Entrada de señal de reloj
4 VDD Blanco Voltaje 5V
5 NC Rojo NC (no conexión)
Tabla 16. Descripción de cada uno de los pines del sensor SHT15
Fuente: www.sensirion.com
Puerto Función
PORTB4 DATA
PORTB5 SCK
Tabla 17. Puertos y señales del sensor SHT15
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3.3.1.2.8 CIRCUITO PARA OBTENER UNA SEÑAL DC PURA:
Se pone condensadores de baja capacitancia en los circuitos integrados tanto en
positivo como en el negativo para obtener una DC pura.
C810u
C1310u
C15100n
C16100n
C18100n
C1910u
Figura 22. Circuito para obtener una señal DC pura
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3.3.2 MODULO ESTACION REMOTA:
Figura 23. Diagrama en bloques del modulo Estación Remota
La estación remota es encargado de controlar el la humedad y la temperatura del
galpón.
En la estación remota reside el software de aplicación encargado en enviar y recibir
datos al modulo de control.
3.3.2.1 MODULO DE SOFTWARE:
El software de aplicación tenemos:
Interfaz de programación: Es la parte del software de aplicación que consta de una
interfaz simple y versátil que le permite al operador introducir datos de programación
de temperatura y humedad a distintas semanas, para posteriormente ser enviados al
modulo de control y de esta forma dar inicio a la ejecución de este.
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3.3.3. COMUNICACIÓN SERIAL:
El puerto serial de las computadoras es conocido como puerto RS-232, la ventaja de
este puerto es que todas las computadoras traen al menos un puerto serial, este
permite la comunicaciones entre otros dispositivos tales como otra computadora, el
mouse, impresora y para nuestro caso con los microcontroladores. Existen dos
formas de intercambiar información binaria: la paralela y la serial.
La comunicación paralela transmite todos los bits de un dato de manera simultánea,
por lo tanto la velocidad de transferencia es rápida, sin embargo tiene la desventaja
de utilizar una gran cantidad de líneas, por lo tanto se vuelve mas costoso y tiene las
desventaja de atenuarse a grandes distancias, por la capacitancia entre conductores
así como sus parámetros distribuidos.
3.3.3.1. LA NORMA RS-232
La EIA (Electronics Industry Association) elaboro la norma RS-232, la cual define
la interfase mecánica, los pines, las señales y los protocolos que debe cumplir la
comunicación serial
Todas las normas RS-232 cumplen con los siguientes niveles:
- Un “1” lógico es un voltaje comprendido entre –5v y –15 v en el transmisor y
entre -3v y –25v en el receptor.
- Un “0” lógico es un voltaje comprendido entre +5v y +15 v en el trasmisor y
entre +3v y +25 v en el receptor.
El envío de niveles lógicos (bits) a través de cables o líneas de transmisión necesita
la conversión a voltajes apropiados. En los microcontroladores para representar un 0
lógico se trabaja con voltajes inferiores a 0.8v, y para un 1 lógico con voltajes
mayores a 2.0V. En general cuando se trabaja con familias TTL y CMOS se asume
que un “0” lógico es igual a cero Voltios y un “1” lógico es igual a cinco Voltios.
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3.3.3.2. CONEXIÓN DE UN MICROCONTROLADOR AL PUERTO SERIAL
DEL PC.
Para conectar el PC a un microcontrolador por el puerto serial se utilizan las señales
Tx, Rx y GND. El PC utiliza la norma RS232, por lo que los niveles de tensión de
los pines están comprendidos entre +15 y -15 voltios. Los microcontroladores
normalmente trabajan con niveles TTL (0-5v). Es necesario por tanto intercalar un
circuito que adapte los niveles:
Figura 24. Conexión de un microcontrolador al puerto serial del PC.
3.3.3.3. CONECTOR DB9 DEL PC
En los PCs hay conectores DB9 macho, de 9 pines, por el que se conectan los
dispositivos al puerto serie. Los conectores hembra que se enchufan tienen una
colocación de pines diferente, de manera que se conectan el pin 1 del macho con el
pin 1 del hembra, el pin2 con el 2, etc...
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Figura 25.Conectores DB9 hembra y macho
Número de pin Señal Pines que utilizamos
1 DCD (Data Carrier Detect) NO
2 RX (Recepción) SI
3 TX (Transmisión) SI
4 DTR (Data Terminal
Ready)
NO
5 GND (tierra) SI
6 DSR (Data Sheet Ready) NO
7 RTS (Request To Send) NO
8 CTS (Clear To Send) NO
9 RI (Ring Indicator) NO
Tabla 18. Información de cada uno de los pines del DB9
3.3.3.4. El Chip Max 232
Este chip permite adaptar los niveles RS232 y TTL, permitiendo conectar un PC
con un microcontrolador. Sólo es necesario este chip y 4 condensadores
electrolíticos de 10 micro faradios. El esquema del circuito es el siguiente:
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T1IN11
R1OUT12
T2IN10
R2OUT9
T1OUT14
R1IN13
T2OUT7
R2IN8
C2+
4
C2-
5
C1+
1
C1-
3
VS+2
VS-6
U2
MAX232
16
2
73
84
9
5
J1
CONN-D9F
C2
10u
C3
10u
C1
10u
C4
10u
RXDTXD
Figura 26. Circuito de conexión del MAX232
PUERTO PIN DEL MAX232
PD0/RXD 12 (R1 OUT)
PD1/TXD 11 (T1 IN)
Tabla 19. Puertos del micro y pines de conexión al Max 232
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3.3.4. BUS I2C:
I²C es un bus de comunicaciones serie. Su nombre viene de Inter-Integrated Circuit
(Circuitos Inter-Integrados). La velocidad es de 100Kbits por segundo en el modo
estándar. Es un bus muy usado en la industria, principalmente para comunicar
microcontroladores y sus periféricos en sistemas empotrados (Embedded Systems).
La principal característica de I²C es que sólo usa dos hilos para transmitir la
información: por uno van los datos y por otro la señal de reloj que sirve para
sincronizarlos. También es necesaria una tercera línea, pero esta sólo es la referencia
(masa). Las líneas se llaman:
• SDA: datos
• SCL: reloj
• GND: masa
Las dos primeras líneas son drenador abierto, por lo que necesitan resistencias de
pull-up.
Los dispositivos conectados al bus I²C tienen una dirección única para cada uno.
También pueden ser maestros o esclavos. El dispositivo maestro inicia la
transferencia de datos y además genera la señal de reloj, pero no es necesario que el
maestro sea siempre el mismo dispositivo, esta característica se la pueden ir pasando
los dispositivos que tengan esa capacidad.
3.3.3.4.1. LAS CARACTERÍSTICAS MÁS SALIENTES DEL BUS I2C SON:
• Se necesitan solamente dos líneas, la de datos (SDA) y la de reloj (SCL).
• Cada dispositivo conectado al bus tiene un código de dirección seleccionable
mediante software. Habiendo permanentemente una relación Maestro/
Esclavo entre el micro y los dispositivos conectados
• El bus permite la conexión de varios Maestros, ya que incluye un detector de
colisiones.
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• El protocolo de transferencia de datos y direcciones posibilita diseñar
sistemas completamente definidos por software.
• Los datos y direcciones se transmiten con palabras de 8 bits.
En la figura 27 se enseña cómo realizar un bus I2C.
R1 y R2 son resistencias de 330 ohmios.
R3 y R4 son resistencias de 10 k-ohmios.
En las opciones de compilación es posible definir los pin que asignará al bus I2C.
Figura 27. El esquema de como realizar un bus I2C.
Fuente: Manual del PIC16C6X José Nail V.