control de motores paso a paso con el pic 16f84

Jos Fernando Gonzlez Lpez, Cdigo;398328815, [email protected] Proyecto de Diseo con Electrnica Integrada.

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CONTROL DE MOTORES PASO A PASO CON PIC

Gonzlez Lpez Jos Fernando Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenieras

Divisin de Electrnica y Computacin, Departamento de Electrnica Blvd. Marcelino Garca Barragn No. 1421 y Calzada Olmpica C.P. 44420

Tlefono/FAX; (++52)-3619-8471 Guadalajara Jal. Mxico C.P. 44420 EMAIL: [email protected]

INDICE 1. RESUMEN..1

1.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO..2 2. TIPOS DE MOTORES PASO A PASO...5 2.1. PARAMETROS DE LOS MOTORES PASO A PASO..8 3. DESARROLLO..9 3.1. CONTROL DE LOS MOTORES PASOA PASO9 3.2. SECEUNCIA DEL CIRCUITO DE CONTROL10 3.3. MICROCONTROLADOR PIC16F84..12 3.4. USO DE LA PC PARA PROGRAMAR...17 4. RESULTADOS...19 4.1. RECOMENDACIONES.19 4.2. CONCLUSIONES...19 5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.20

RESUMEN: Es casi imposible pensar en aplicaciones de control o de robtica en las que no estn presentes los motores paso a paso. Donde se requieren movimientos precisos, hay un motor paso a paso. En este reporte se explica el funcionamiento de estos dispositivos y cmo se realiza su control por medio de una computadora, utilizando una interfaz para puerto paralelo. En este reporte se presenta cmo se puede realizar el control de este tipo motores que utiliza uno de los microcontroladores ms usados en electrnica de consumo: un PIC. Las principales aplicaciones de los motores a paso se pueden encontrar en robtica, tecnologa aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informticos, manipulacin y posicionamiento de herramientas y piezas en general.


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1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

Los motores elctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagntico y creadas al hacer circular una corriente elctrica a travs de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posicin mecnica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagntico, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje, esta ltima tender a buscas la posicin de equilibrio magntico, es decir, orientar sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posicin de equilibrio, el estator cambia la orientacin de sus polos, aquel tratar de buscar la nueva posicin de equilibrio; manteniendo dicha situacin de manera continuada, se conseguir un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformacin de una energa elctrica en otra mecnica en forma de movimiento circular. An basado en el mismo fenmeno, el princ ipio de funcionamiento de los motores de corriente continua, los motores paso a paso son ms sencillos si cabe, que cualquier otro tipo de motor elctrico. La figura 1 intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2 poseen un ncleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente elctrica. Por otra parte el imn M puede girar libremente sobre el eje de sujecin central.

Paso 1 (a) Paso 2 (b) Paso 3 (c) Paso 4 (d)

Figura 1. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso


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Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas (que tambin reciben el nombre de fases) y con M en una posicin cualquiera, el imn permanecer en reposo si no se somete a una fuerza externa. Si se hace circula corriente por ambas fases como se muestra en la Figura 1(a), se crearn dos polos magnticos NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazar hasta la posicin indicada en dicha figura. Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendr la situacin magntica indicada en la Figura 1(b) y M se ver desplazado hasta la nueva posicin de equilibrio, es decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las agujas del reloj. Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega a la situacin de la Figura 1 (c) habiendo girado M otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M girar otros 90 grados y se habr obtenido una revolucin completa de dicho imn en cuatro pasos de 90 grados. Por tanto, si se mantiene la secuencia de excitacin expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzar pasos de 90 grados por cada pulso aplicado. Por lo tanto se puede decir que un motor paso a paso es un dispositivo electromecnico que convierte impulsos elctricos en un movimiento rotacional constante y finito dependiendo de las caractersticas propias del motor. El modelo de motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal circunstancia un inconveniente importante a la hora de disear el circuito que controle el motor. Una forma de paliar este inconveniente es la representada en la Figura 2, obtenindose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula por las bobinas en un nico sentido. Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y S2, se generarn dos polos NORTE que atraern al polo SUR de M hasta encontrar la posicin de equilibrio entre ambos como puede verse en la Figura 2(a). Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva distribucin de polos magnticos, M evoluciona hasta la situacin representada en la Figura 2(b).


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Figura 2.- Principio bsico de un motor unipolar de cuatro fases

Sigue la secuencia representada en la Figuras 2 (c) y (d), de la misma forma se obtiene avance del rotor de 90 grados, como en el motor bipolar de dos fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la accin de impulsos elctricos de excitacin de cada una de las bobinas. En uno y otro caso, el movimiento obtenido ha sido en sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si las secuencias de excitacin se generan en orden inverso, el rotor girar en sentido contrario, por lo que fcilmente podemos deducir que el sentido de giro en los motores paso a paso es reversible en funcin de la secuencia de excitacin y, por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al motor un nmero determinado de pasos segn las necesidades[2].


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Figura 3.- Bobinado de un motor paso a paso de una disquetera, en el que pueden apreciarse bobinados, el imn permanente se ha desmontado para poder ver el interior del motor que est montado sobre la propia

placa de circuito impreso[2]

2. TIPOS DE MOTORES PASO A PASO. Hay dos tipos bsicos de motores Paso a Paso, los BIPOLARES que se componen de dos bobinas y los UNIPOLARES que tienen cuatro bobinas. Externamente se diferencian entre s por el nmero de cables. Los bipolares solo tienen cuatro conexiones dos para cada bobina y los unipolares que normalmente presentan seis cables, dos para cada bobina y otro para alimentacin de cada par de stas, aunque en algunos casos podemos encontrar motores unipolares con cinco cables, bsicamente es lo mismo, solo que el cable de alimentacin es comn para los dos pares de bobinas.


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Esquema Motor UNIPOLAR

Esquema Motor BIPOLAR

Motores Unipolares: En este tipo de motores, todas las bobinas del estator estn conectadas en serie formando cuatro grupos. Esta a su vez, se conectan dos a dos, tambin en serie, y se montan sobre dos estatores diferentes, tal y como se aprecia en la Figura 4. Segn puede apreciarse en dicha figura, del motor paso a paso salen dos grupos de tres cables, uno de los cuales es comn a dos bobinados. Los seis terminales que parten del motor, deben ser conectados al circuito de control, el cual, se comporta como cuatro conmutadores electrnicos que, al ser activados o desactivados, producen la alimentacin de los cuatro grupos de bobinas con que est formado el estator. Si generamos una secuencia adecuada de funcionamiento de estos interruptores, se pueden producir saltos de un paso en el nmero y sentido que se desee.

Figura 4.- Control de motor Unipolar

Motores Bipolares: En este tipo de motores las bobinas del estator se conectan en serie formando solamente dos grupos, que se montan sobre dos estatores, tal y como se muestra en la Figura 5. Segn se observa en el esquema, de este motor salen cuatro hilos que se conectan, al circuito de control, que realiza la funcin de cuatro interruptores electrnicos dobles, que nos permiten variar la polaridad de la alimentacin de las bobinas. Con la activacin y desactivacin adecuada de dichos interruptores dobles, podemos obtener las secuencias adecuadas para que el motor pueda girar en un sentido o en otro.


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Figura 5.- Control de motor Bipolar

La existencia de varios bobinados en el estator de los motores de imn permanente, da lugar a varias formas de agrupar dichos bobinados, para que sean alimentados adecuadamente[3]. En la figura 6 vemos la disposicin de las bobinas de motores paso a paso:

a) bipolar b) unipolar con 6 hilos c) unipolar a 5 hilos d) unipolar a 8 hilos

Hay que tener en cuenta que los motores unipolares de seis u ocho hilos, pueden hacerse funcionar como motores bipolares si no se utilizan las tomas centrales, mientras que los de cinco hilos no podrn usarse jams como bipolares, porque en el interior estn conectados los dos cables centrales. En el caso de los unipolares lo normal es encontrarnos con cinco, seis u ocho terminales, ya que adems de los bobinados hay otros terminales que corresponden a las tomas intermedias de las bobinas, los cuales se conectan directamente a positivo de la fuente de alimentacin para su correcto funcionamiento. En las figuras 6B, 6C y 6D pueden apreciar como estn conectados internamente las terminales de estos tipos de motores[4].


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A B C D

Figura 6.- Principio bsico de un motor unipolar de cuatro fases.

2.1 PARMETROS DE LOS MOTORES PASO A PASO.

Desde el punto de vista mecnico y elctrico, es conveniente conocer el significado de algunas de las principales caractersticas y parmetros que se definen sobre un motor paso a paso:

Par dinmico de trabajo ( Working Torque): Depende de sus caractersticas dinmicas y es el momento mximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin dejar de responder a algn impulso de excitacin del estator y dependiendo, evidentemente, de la carga.

Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican, curvas denominadas de arranque sin error (pull- in) y que relaciona el par en funcin el nmero de pasos.

Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de giro del motor aumenta, se produce un aumento de la f.c.e.m. en l generada y, por tanto, una disminucin de la corriente absorbida por los bobinados del estator, como consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.

Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el par requerido para desviar, en rgimen de excitacin, un paso el rotor cuando la posicin anterior es estable ; es mayor que el par dinmico y acta como freno para mantener el rotor en una posicin estable dada

Para de detencin ( Detention Torque): Es una par de freno que siendo propio de los motores de imn permanente, es debida a la accin del rotor cuando los devanados del estator estn desactivados.

Angulo de paso ( Step angle ): Se define como el avance angular que se produce en el motor por cada impulso de excitacin. Se mide en grados, siendo los pasos estndar ms importantes los siguientes:


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Grados por impulso de excitacin N de pasos por vuelta

0,72 500

1,8 200

3,75 96

7,5 48

15 24

Tabla 1

Nmero de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para

realizar una revolucin completa; evidentemente es

Donde NP es el nmero de pasos y a el ngulo de paso.

Frecuencia de paso mximo (Maximum pull-in/out): Se define como el mximo nmero de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando adecuadamente.

Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centmetro cuadrado.

Par de mantenimiento, de detencin y dinmico: Definidos anteriormente y expresados en miliNewton por metro[2].

3. DESARROLLO.

3.1. CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO. Para realizar el control de los motores paso a paso, es necesario generar una secuencia determinada de impulsos. Adems es necesario que estos impulsos sean capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor se exciten, por lo general, el diagrama de bloques de un sistema con motores paso a paso es el que se muestra en la Figura 7.

Figura 7.- Diagrama de bloques de un sistema con motor paso a paso


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3.2. SECUENCIA DEL CIRCUITO DE CONTROL Existen dos formas bsicas de hacer funcional los motores paso a paso atendiendo al avance del rotor bajo cada impulso de excitacin:

Paso completo (full step): El rotor avanza un paso completo por cada pulso de excitacin y para ello su secuencia ha de ser la correspondiente a la expuesta anteriormente, para un motor como el de la Figura 2, y que es presentada de forma resumida en la Tabla 2 para ambos sentidos de giro, las X indican los interruptores que deben estar cerrados (interruptores en ON), mientras que la ausencia de X indica interruptor abierto (interruptores en OFF).

Paso S1 S2 S3 S4 Paso S1 S2 S3 S4

1 X X 1 X X

2 X X 2 X X

3 X X 3 X X

4 X X 4 X X

1 X X 1 X X

Tabla 3.- Sentido horario (a) Tabla 3.- Sentido antihorario (b)

Medio paso (Half step): Con este modo de funcionamiento el rotor avanza medio paso por cada pulso de excitacin, presentando como principal ventaja una mayor resolucin de paso, ya que disminuye el avance angular (la mitad que en el modo de paso completo). Para conseguir tal cometido, el modo de excitacin consiste en hacerlo alternativamente sobre dos bobinas y sobre una sola de ellas, segn se muestra en la Tabla 3 para ambos sentidos de giro.


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Excitacin de Bobinas Excitacin de Bobinas Paso

S1 S2 S3 S4

Paso

S1 S2 S3 S4

1 X X 1 X X

2 X 2 X

3 X X 3 X X

4 X 4 X

5 X X 5 X X

6 X 6 X

7 X X 7 X X

8 X 8 X

1 X X 1 X X

Sentido horario (a) Sentido antihorario (b)

Tabla 2.- Secuencia de excitacin de un motor Paso a Paso en medio paso

Segn la Figura 2 al excitar dos bobinas consecutivas del estator simultneamente, el rotor se alinea con la bisectriz de ambos campos magnticos; cuando desaparece la excitacin de una de ellas, extinguindose el campo magntico inducido por dicha bobina, el rotor queda bajo la accin del nico campo existente, dando lugar a un desplazamiento mitad. Sigamos, por ejemplo, la secuencia presentada en la Tabla 2: en el paso 1, y excitadas las bobinas L1 y L2 de la Figura 2 mediante la accin de S1 y S2, el rotor se situara en la posicin indicada en la Figura 2 a; en el paso 2, S1 se abre, con lo que solamente permanece excitada L2 y el rotor girar hasta alinear su polo sur con el norte generado por L2. Supuesto que este motor tena un paso de 90 grados, en este caso slo ha avanzado 45 grados. Posteriormente, y en el paso 3, se cierra S3, situacin representada en la Figura 2 b, con lo que el rotor ha vuelto a avanzar otros 45 grados. En definitiva, los desplazamientos, siguiendo dicha secuencia, son de medio paso. La forma de conseguir estas secuencias puede ser a travs de un circuito lgico secuencial, con circuitos especializados o con un microcontrolador[2].


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3.3 MICROCONTROLADOR PIC16F84. Nos vamos a centrar en el control de los motores paso a paso utilizando el microcontrolador PIC16F84. Adems como el microcontrolador no es capaz de generar la corriente suficiente para excitar las bobinas del motor paso a paso se puede utilizar el integrado L293. El montaje que permite el control de un motor paso a paso es el de la Figura 7, en el que se ha realizado la conexin del motor paso a paso a travs de un driver L293. Las lneas RB0,RB1, RB2 y RB3 sern las encargadas de generar la secuencia de activacin del motor paso a paso, mientras que RB4 y RB5 se ponen siempre a 1 para habilitar las entradas de inhibicin de los drivers. Las salidas de los drivers se conectan a las bobinas del motor para conseguir la corriente necesaria para que este se ponga en funcionamiento. Por su parte las entradas RA0-RA4 se configuran como entrada[1].

Figura 11.- Conexin del motor paso a paso al PIC16F84 y al circuito L293


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Figura 9.- Circuito final del regulador de motores paso a paso con PIC

El organigrama del programa es el que se muestra en la Figura 11 y el programa correspondiente es paso1.asm que se muestra a continuacin:


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Figura 11.- Organigrama del programa


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Tabla 4 - Programa del Regulador de motores paso a paso con un PIC16F84

;********************************************************************************************************** ; Programa paso1.asm ; ;Este programa muestra el funcionamiento de un motor paso a paso en sus dos sentidos ;de giro. El motor est conectado a las bornas M1 y M2 cuando la entrada RA0 est 1 a 0, ; el motor girar hacia la derecha o hacia la izquierda respectivamente. ;Velocidad del Reloj: 4MHz Reloj Instruccin: 1MHz = 1mS ;Perro Guardin: deshabilitado Tipo de Reloj : XT ;Proteccin del cdigo: OFF ;********************************************************************************************************* title "paso1.asm" page list p = 16f84 ;Eleccin del modelo del PIC List C = 132 ;N de caracteres de la lnea List N=66 ;N de lneas por pgina include "P16F84.INC" ;Definiciones de registros internos RADIX HEX ;Sistema de numeracin hexadecimal. TEMP1 EQU 0x0c ;Registros de propsito general. TEMP2 EQU 0x0d org 0x00 goto INICIO org 0x05 ;********************************************************************************************** ;PROGRAMA PRINCIPAL. INICIO: bsf STATUS, RP0 movlw b'00011111' ;Se configura RA0 como entrada y el resto de la movwf TRISA ;PORTA tambin como entrada. clrf TRISB bcf STATUS, RP0 clrf INTCON ;Se anulan las interrupciones. BUCLE btfss PORTA,0 ;Se mira el estado del interruptor RA0 para girar goto IZQUIERDA ;el motor hacia la izquierda o hacia la derecha. goto DERECHA ;********************************************************************************************** ;IZQUIERDA Y DERECHA: Son las encargan de dar al motor los pasos correspondientes ;para que gire en un sentido en otro. IZQUIERDA: movlw b'00110101' ; primer paso movwf PORTB call TEMPO ;Temporizacin antes de pasar al siguiente paso movlw b'00110110' ;segundo paso. movwf PORTB call TEMPO movlw b'00111010' ;tercer paso. movwf PORTB call TEMPO movlw b'00111001' ;cuarto y ltimo paso movwf PORTB call TEMPO goto BUCLE ;Se vuelve a BUCLE para mirar el estado de RA0. DERECHA: movlw b'00111001' ;Primer paso para el giro hacia la derecha. movwf PORTB call TEMPO ;Temporizacin antes del siguiente paso. movlw b'00111010' ;Segundo paso. movwf PORTB call TEMPO movlw b'00110110' ;Tercer paso. movwf PORTB call TEMPO movlw b'00110101' ;ltimo paso. movwf PORTB call TEMPO goto BUCLE ;Se vuelve a BUCLE para mirar el estado RA0. ;********************************************************************************************************* ;TEMPO Subrutina de temporizacin. TEMPO movlw 0x0F ;carga 0F en TEMP1 movwf TEMP1 clrf TEMP2 ;Carga 0 en TEMP2 TEMPO_1 decfsz TEMP2, F ;Decrementa TEMP2 y si es 0 salta goto TEMPO_1 ;volver a TEMPO_1 decfsz TEMP1, F ;Decrementa


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TEMP1 y si es 0 salta goto TEMPO_1 ;volver a TEMPO_1 RETURN END [7]

3.4. USO DE LA PC PARA PROGRAMAR

Con el cdigo anterior utilizamos un software que se llama MPLAB Figura 13 y por medio de este nos compila el programa para checar que no hay ningn error en las instrucciones de nuestro programa que utilizamos en el PIC16F84 y despus de compilar el programa vamos utilizar otro programa que es el ICPROG Figura 14 que los vamos a utilizar para programar nuestro PIC en el programador figura 12.

Figura 13.- Software MPLAB


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Figura 14.- Software IC-PROG


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Figura 12.- Programador de PIC [6]

4. RESULTADOS.

4.1. RECOMENDACIONES.

Una forma de conseguir motores Paso a Paso de paso mas reducido, es la de aumentar el nmero de bobinas del estator, pero ello llevara a un aumento del coste y del volumen y a prdidas muy considerable en el rendimiento del motor, por lo que esta situacin no es viable. Hasta ahora y para conseguir la solucin ms idnea, se recurre a la mecanizacin de los ncleos de las bobinas y el rotor en forma de hendiduras o dientes, crendose as micropolos magnticos, tantos como dientes y estableciendo las situaciones de equilibrio magnticos con avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de hasta de 500 pasos.El control de motores paso a paso son muy importantes para diferentes aplicaciones tal como de control, robtica, tecnologa aeroespacial en las cules se requiere movimientos precisos, siempre esta involucrado el motor paso a paso.

La caracterstica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90 hasta pequeos movimientos de tan solo 1.8, es decir, que se necesitarn 4 pasos en el primer caso (90) y 200 para el segundo caso (1.8), para completar un giro completo de 360.


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Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posicin o bien totalmente libres. Si una o ms de sus bobinas estn energizadas, el motor estar enclavado en la posicin correspondiente y por el contrario quedar completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. 4.2. CONCLUSIONES. En numerosas ocasiones es necesario convertir la energa elctrica en energa mecnica, esto se puede lograr, por ejemplo, usando los motores de corriente continua. Pero cuando lo deseado es posicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena regulacin de la velocidad, se puede contar con una gran solucin: utilizar un motor paso a paso. El desarrollo de la presente investigacin tiene por objeto dar a conocer los principios bsicos de funcionamiento de este tipo de motores, sus caractersticas constructivas y las formas bsicas de hacer funcionar los motores por medio de dispositivos microcontroladores. Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robtica, tecnologa aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informticos, manipulacin y posicionamiento de herramientas y piezas en general. 5. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Angulo Usategui J. M. (2003). Microcontroladores PIC, Vol. I y II. Mc Graw Hill, 3. Ed. [2] Redaccin de Quark sobre trabajo y monografas de autores varios (2005). Motores Paso a Paso. Funcionamiento y Control a Travs de un Pc. Saber Electrnico. N de Edicin 179. Pgina 5 [3] INDUSTRIAL ELECTRONICS. James Maas. Prentice Hall 1995. ISBN 0-02- 373023-4. [4] ELECTRNICA INDUSTRIAL MODERNA. Timothy J. Maloney. Prentice Hall 1997. ISBN 968-880-847-4 [5] ADQUISICIN Y DISTRIBUCIN DE SEALES. Ramn Palls Areny. Marcombo. Boixareu Editores. 1993. ISBN 84-267-0918-4. [6]www.micropic.arrakis.es/index.htm

[7] Ing. ngel Toledo Martnez


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