Upload
jair-fernando-hernandez
View
243
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/29/2019 Informe del Semforo
1/14
Introduccin a los Circuitos Digitales.
Ejemplo de Diseo de un Controlador de Luces de un Semforo.
Universidad San Luis Gonzaga de Ica.
Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera Electrnica.
RESUMEN
Esta presentacin es una introduccin al curso los circuitos digitales. Conoceremos un poco sobre
el proceso de diseo digital a travs de un ejemplo de diseo. En esta oportunidad veremos cmo
se especifica, disea y simula un controlador de luces de un semforo. El mtodo expuesto aqu es
muy intuitivo, ms adelante aprendern a construir circuitos muy complejos siguiendo mtodos
sistemticos y creativos.
En esta sesin conoceremos las funciones lgicas ms simples, contaremos de 0 a 15 en el sistemade numeracin binario, y construiremos unos circuitos lgicos para controlar las luces de un
semforo. Finalmente usaremos circuitos integrados para construir el semforo.
INFORME DEL PROYECTO
Comencemos por analizar cmo funciona un semforo. En la siguiente tabla podemos ver los
estados de un semforo tpico. Este semforo tiene cuatro estados o combinaciones diferentes de
luces. Necesita 12 faros, pero los faros que apuntan en direcciones opuestas siempre muestran el
mismo estado, por lo tanto, el circuito de control solamente debe proveer 6 salidas, tres para cada
sentido (Norte-Sur y Este-Oeste). Noten que el semforo tiene cuatro estados que duran unos
periodos definidos.
Sentido Norte Sur Sentido Este Oeste Periodo
N-S / E-O Rojo Ambar Verde Rojo Ambar Verde
ON OFF OFF OFF OFF ON T1
ON OFF OFF OFF ON OFF T2
OFF OFF ON ON OFF OFF T3
OFF ON OFF ON OFF OFF T4
7/29/2019 Informe del Semforo
2/14
Cada faro puede tener su luz encendida (ON) o apagada (OFF). Cuando u faro est encendido
vamos a representar ese estado con 1 (ON), y cuando est apagado con un 0 (OFF).
Apagado = OFF = 0
Encendido = ON = 1
Un bit es un tipo de nmero que puede tener slo dos valores: 0 y 1. Entonces las salidas de
control para cada faro pueden codificarse con seis bits en total.
Sentido Norte Sur Sentido Este Oeste Periodo
Rojo Ambar Verde Rojo Ambar Verde
1 0 0 0 0 1 T1
1 0 0 0 1 0 T2
0 0 1 1 0 0 T3
0 1 0 1 0 0 T4
Cuando un bit est en 1 quiere decir que la luz de ese faro debe encenderse en el periodo
correspondiente, y cuando el bit est en 0 la luz del faro deber apagarse.
Antes de continuar, todo circuito digital tiene bits de entrada y bits de salida. Los bits de las lucesde los semforos son bits de salida, porque son bits que el circuito lgico enva al exterior. Los bits
de entrada son bits que el circuito recibe del exterior. A veces algunos bits se agrupan en buses
para representar cantidades mayores a 0 y 1. Volveremos a este punto ms adelante.
Ahora vamos a darles nombres a los bits de salida. Mirando la tabla previa, vamos a asignar de
izquierda a derecha los siguientes nombres: RojoNS, AmbarNS, VerdeNS, RojoEO, AmbarEO,
VerdeEO, El sufijo NS hace referencia al sentido Norte-Sur y el sufijo EO al sentido Este-Oeste.
Ahora observa que:
o RojoNS es 1 cuando el periodo es T1 o T2 y es 0 en los periodos T3 y T4.o AmbarNS es 1cuando el periodo es T4, y es 0 en el resto de periodos.
o VerdeNS es 1 cuando el periodo es T3, y es 0 en el resto de periodos.
o RojoEO es 1 cuando el periodo es T3 o T4, y es 0 en los periodos T1 y T2.
o AmbarEO es 1 cuando el periodo es T2, y es 0 en el resto de periodos.
o VerdeEO es 1 cuando el periodo es T1, y es 0 en el resto de periodos.
7/29/2019 Informe del Semforo
3/14
Debido a que los bits solamente pueden tener dos estados, basta con escribir estas relaciones del
siguiente modo:
o RojoNS es 1 cuando el periodo es T1 o T2.
o AmbarNS es 1 cuando el periodo es T4.
o VerdeNS es 1 cuando el periodo es T3.o RojoEO es 1 cuando el periodo es T3 o T4.
o AmbarEO es 1 cuando el periodo es T2.
o VerdeEO es 1 cuando el periodo es T1.
Existe una manera formal para indicar estas relaciones si usamos las siguientes convenciones.
o Si para que ocurra el evento F es necesario que simultneamente el evento A y el evento
B ocurran, entonces decimos que F = A AND B.
o Si para que ocurra el evento F es necesario que el evento A o el evento B ocurran,
entonces decimos que F = A OR B. Observa que si ambos eventos ocurren tambin ocurre
F.o Si para que ocurra el evento F es necesario que no ocurra el evento A, entonces decimos
que F = NOT A.
o Si para que ocurra el evento F es necesario que ocurra el evento A, entonces decimos que
F = A.
De acuerdo a esto, si representamos con 1 cuando ocurre un evento y con 0 cuando no ocurre,
podemos transformar las sentencias anteriores en nuevas sentencias equivalentes.
RojoNS es 1 cuando el periodo es T1 o T2 RojoNS = T1 OR T2
AmbarNS es 1 cuando el periodo es T4 AmbarNS = T4
VerdeNS es 1 cuando el periodo es T3 VerdeNS = T3
RojoEO es 1 cuando el periodo es T3 o T4 RojoEO = T3 OR T4
AmbarEO es 1 cuando el periodo es T2 AmbarEO = T2
VerdeEO es 1 cuando el periodo es T1 Verde = T1
Las operaciones AND, OR Y NOT son las funciones bsicas de la lgica matemtica, y juegan un
papel fundamental en el diseo de circuitos integrados. En el diseo lgico estas funciones tienen
smbolos que facilitan su identificacin en un diagrama esquemtico (en los diagramas usaremos
smbolos realzados para una presentacin diferente):
AND OR NOT
Funcin Y Funcin O Funcin NO
7/29/2019 Informe del Semforo
4/14
Producto Suma Complemento
.(punto) +(ms) '(apstrofe)-(raya superior)
Puedes entender mejor cmo trabaja la funcin AND observando las siguientes figuras. Nota que
un led rojo indica encendido y uno blanco indica apagado. Presta atencin a la posicin de los
interruptores: la posicin abajo lo desconecta e indica 0 (OFF) y la posicin arriba lo conecta eindica 1 (ON).
La funcin AND de dos entradas tiene la salida 1 solamente cuando ambas entradas estn en 1, y
en otro caso la salida es cero.
Para el caso de la funcin OR ocurre algo similar:
La funcin OR de dos entradas tiene la salida en 1 si cualquier entrada est en 1, y en otro caso la
salida es cero (cuando ambas entradas estn en 0).
Para la funcin NOT tenemos:
Si el valor de entrada es 0, entonces el valor de salida ser 1.
Si el valor de entrada es 1, entonces el valor de salida ser 0.
7/29/2019 Informe del Semforo
5/14
Es decir, la funcin NOT se encarga bsicamente de negar el valor de la entrada para dar como
salida el valor opuesto, como en este caso que slo trabajamos con 2 valores, se comporta como
un inversor.
Puedes notar que para crear un circuito lgico es necesario contar como mnimo con: entradas
(por ejemplo interruptores), salidas (por ejemplo indicadores luminosos o leds) y circuitos querealicen funciones lgicas (por ejemplo AND, OR, NOT). Existen ms tipos de entradas, ms tipos
de salidas y una variedad de funciones lgicas, las cuales irs conociendo conforme avancemos en
la carrera universitaria.
Ahora intenten responder a esta pregunta: T1, T2, T3 y T4 son entradas, funciones o salidas?
Pues, son bits que se generan y utilizan internamente en el circuito lgico. Quizs hayas recordado
que estos periodos son los periodos de tiempo para cada estado del semforo. En los circuitos
digitales, las seales internas se generan a partir de funciones intermedias para obtener el
resultado final. Los periodos de tiempo en este caso son resultado de estados internos del circuito.
Un estado en un circuito lgico queda determinado por el estado anterior del circuito, es decir,
por las condiciones de funcionamiento pasadas, y tambin por las entradas actuales. En el caso del
semforo hemos definido cuatro estados, pero Cuntos estados son posibles en total? Si
tomamos en cuanta solamente las seis luces, en total habr 2 elevado a la potencia 6 estados, es
decir, 64 estados. Por ejemplo, un estado ms puede ser que las luces rojas de ambos sentidos se
enciendan al mismo tiempo. Esto puede ser til en caso de emergencia. Pero un caso imprctico
sera, por ejemplo, encender ambas luces verdes al mismo tiempo o encender a la vez la luz roja y
verde de un mismo sentido.
Si fueras polica de trnsito u tuvieras que controlar manualmente el semforo apretando unos
botones, Cmo haras para saber cunto tiempo dejas al semforo en cada estado? Asumiendo
que el trfico es similar en ambos sentidos, quizs tomaras tu reloj y asignaras intervalos de
tiempos en segundos, por ejemplo, 25 segundos pata T1 y T3, y 5 segundos pata T2 y T4. Eso hara
que el ciclo del semforo se repita cada minuto.
En nuestro semforo particular vamos a hacer que el ciclo dure 16 segundos.
Los circuitos digitales emplean fcilmente el sistema binario para contar. El sistema binario es el
sistema de numeracin en base 2. Nosotros estamos familiarizndonos con el sistema decimal, el
que usamos para contar con los dgitos del 0 al 9.
En el sistema binario contamos con bits, con dgitos del 0 al 1.
Para que puedas comparar ambos sistemas, en la siguiente tabla puedes ver la cuenta binaria para
una cuenta decimal equivalente desde 0 hasta 15 (osea, para 16 cuentas).
7/29/2019 Informe del Semforo
6/14
Periodos deTiempo
Rango deCuenta
IndicadoresLeds
Cuenta Binariaq, q, q, q
CuentaDecimal
T1 0 a 6
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
0 0 1 0 2
0 0 1 1 3
0 1 0 0 4
0 1 0 1 5
0 1 1 0 6
T2 7 0 1 1 1 7
T3 8 a 14
1 0 0 0 8
1 0 0 1 9
1 0 1 0 10
1 0 1 1 11
1 1 0 0 12
1 1 0 1 13
1 1 1 0 14
T4 15 1 1 1 1 15
Esta tabla nos va a permitir hallar una relacin entre los estados del semforo, los periodos de
tempo, las entradas y salidas para el circuito lgico.
Los bits de la cuenta binaria lo vamos a representar con q, q, q y q. El bit q es el ms
significativo, ubicado ms a la izquierda del nmero. El bit q es el menos significativo, ubicado
ms a la derecha del nmero. Estos bits van a cambiar automticamente cada segundo, es decir,
cada cuenta va a permanecer activa por un segundo y luego el contador har que la cuenta se
incremente. Cuando la cuenta sea 15 la cuenta siguiente ser 0 y el ciclo se repetir.
A continuacin vamos a dividir los 16 segundos en cuatro periodos. A T1 y T3 le daremos 7
segundos y a T2 y T4 le vamos a dar 1 segundo.
Tienes una idea de cmo relacionar estos tiempos con el contador?La forma ms sencilla de hacerlo es as:
Cuando el contador est: El periodo es:
En el rango de 0 a 6 T1
En 7 T2
En el rango de 8 a 14 T3
En 15 T4
7/29/2019 Informe del Semforo
7/14
En la tabla siguiente juntamos todo, la cuenta binaria en cada periodo y las luces de salida:
CuentaDecimal
CuentaBinaria
qqqqPeriodo RojoNS AmbarNS VerdeNS RojoEO AmbarEO VerdeEO
0 0 0 0 0
T1
1 0 0 0 0 1
1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1
2 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1
3 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1
4 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1
5 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1
6 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1
7 0 1 1 1 T2 1 0 0 0 1 0
8 1 0 0 0
T3
0 0 1 1 0 09 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
10 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0
11 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0
12 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0
13 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0
14 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0
15 1 1 1 1 T4 0 1 0 1 0 0
Lo que vamos a hacer es que los bits de salida del circuito pasen a ser funcin de los bits de salida
de un contador binario.
Presta atencin a cada bit de la cuenta binaria y a las luces. Cundo se prende la luz RojoNS?
Cuando q est apagada, que es cuando ocurren los periodos T1 o T2, tal como habamos visto
antes. Es decir, la relacin general:
RojoNS = T1 OR T2
Podemos cambiarla por la relacin ms precisa:
RojoNS = NOT q
Mira lo que pasa con VerdeEO. Presta atencin solamente a la combinacin de bits de la cuenta
binaria que hace que VerdeEO sea 1. Puedes hallar una relacin?
Para que VerdeEO sea 1 q debe ser 0 pero adems los bits restantes no pueden ser 1 al mismo
tiempo. En cualquier otra situacin VerdeEO es 0. Es decir, VerdeEO se enciende cuando q no se
enciende y adems q, q y q tampoco se encienden al mismo tiempo. Eso podemos representarlo
as:
7/29/2019 Informe del Semforo
8/14
VerdeEO = ( NOTq ) AND ( NOT( q ANDq ANDq ) )
De manera similar, intenta deducir lo siguiente:
RojoEO = q AmbarEO = ( NOTq ) AND( qANDq ANDq )
VerdeNS = ( q ) AND ( NOT( q ANDq ANDq )
AmbarNS = ( q ) AND( q ANDq ANDq )
Notars que la expresin q ANDq ANDq se repite en cuatro casos. Siendo as, resulta
conveniente asignar esta expresin a una funcin X, con lo cual tenemos:
RojoNS = NOTq
RojoEO = q
X = q ANDq AND q
VerdeEO = ( NOTq ) AND ( NOT X )
AmbarEO = ( NOTq ) AND ( X )
VerdeNS = ( q ) AND ( NOT X )
AmbarNS = ( q ) AND ( X )
MATERIALES
Protoboard.
1 Circuito Integrado 74LS191.
2 Circuitos Integrados 74LS08.
1 Circuito Integrado 74LS04.
5 Leds amarillos.
2 Leds rojos.
2 Leds amarillos.
2 Leds verdes. 1 Circuito Integrado LM555.
11 Resistencias de 330.
1 Resistencia de 1k.
1 Potencimetro de 10k.
1 Capacitor de 100 Uf.
7/29/2019 Informe del Semforo
9/14
DIAGRAMAS Y ESQUEMAS
A partir de estas expresiones podemos hallar los circuitos lgicos:
Para construir este circuito lgico se necesitan circuitos integrados que realicen tales funciones
lgicas. En este caso vamos a usar un 74LS191, dos 74LS08, y un 74LS04.
Todos los chips deben ser polarizados para funcionar correctamente, es decir, deben conectarse a
una batera o alimentacin de voltaje. Estos chips operan con voltajes de 4.5 a 5v.
Observa en la siguiente figura. Un 7408 tiene cuatro puertas en el chip, cada una puede realizar
una funcin AND de dos entradas. El pin de VCC es el 14, el GND el 7. El pin de VCC debe
conectarse con el terminal positivo de la batera y el pin GND con el terminal negativo. En los
dems chips debe hacerse lo mismo.
1 2
NOT
74LS04
1
2
3
AND
74LS08
1
2
3
AND
74LS08
1 2
NOT
74LS04
1
2
3
AND
74LS08
1
2
3
AND
74LS08
1
2
3
AND
74LS08
1
2
3
AND
74LS08
1
Q0
CONN-SIL1
1
Q1
CONN-SIL1
1
Q2
CONN-SIL1
1
Q3
CONN-SIL1
X NOT X
NOT Q3
VerdeEO
AmbarEO
VerdeEO
AmbarNS
RojoNS
RojoEO
7/29/2019 Informe del Semforo
10/14
En la siguiente figura podemos observar una compuerta NOT. El integrado 74LS04 es el que
contiene 6 de estas compuertas NOT, como el 7408. El pin de VCC es el 14, el de GND el 7.
El circuito integrado 74LS191 es un contador de 4 bits. El contador binario provee las seales q,
q, q y q. El 74191 tiene 16 pines, el pin 16 se conecta a VCC y el pin 8 a GND. Los pines 4 y 5 se
deben conectar a GND. Los bits q, q, q y q se encuentran en los pines 7, 6, 2 y 3,
respectivamente. El pin 14 se conecta a la seal de 1 Hz.
7/29/2019 Informe del Semforo
11/14
EL OSCILADOR 555
El circuito integrado LM555, es un temporizador, tambin llamado timer, es un circuito que
se comporta como un oscilador, es decir, va a arrojar seales secuenciales y alternasentre los valores 0 y 1, las cuales nosotros recibiremos como unas pulsaciones para
poder garantizar el correcto funcionamiento del contador 74LS191.
Este integrado consta de 8 pines, el pin 1 va conectado a GND y el pin 8 a VCC.
En el siguiente diagrama podemos apreciar las conexiones completas del LM555, el cual
lo hemos dibujado y simulado en el Proteus.
R4
DC7
Q3
GND
1
VCC
8
TR2
TH6
CV5
U1
NE555
R11k
R2330R
C1100u
RV1
10K
D1LED-YELLOW
1
J1
CONN-SIL1
1
J2
CONN-SIL1
7/29/2019 Informe del Semforo
12/14
CONEXIONES DE LOS PINES
Ahora veremos cmo ubicar las funciones lgicas en los circuitos integrados. Se puede elegir
cualquier puerta lgica en el 74LS08 y 74LS04 para las ANDs y NOTs respectivamente.
Para este diseo vamos a hacer lo siguiente. La AND 1 y 2 se arman en un 74LS08 y las AND 3, 4, 5
Y 6 en el otro 74LS08. Las NOT 1 y 2 se construyen sobre un 74LS04.
En la siguiente figura se muestra un esquema del circuito con el programa Simulador digital. Los
bits q, q, q y q se han conectado a los leds amarillos (5, 6, 7, 8) para observar la cuenta binaria.
Se puede usar otro esquema, el mostrado en la figura slo sirve como una gua.
Ya veremos luego el circuito terminado en un protoboard, cabe resaltar que este programa
denominado Simulador digital nos fue de mucha ayuda, ya que al simularlo primero
virtualmente antes de construirlo en el protoboard, nos ayud a despejar posibles errores deconexiones y as evitar que al construirlo fsicamente se nos queme algn componente debido a
una mala conexin.
7/29/2019 Informe del Semforo
13/14
MEJORAS RESPECTO A LA METODOLOGIA ANTERIOR
Lo que principalmente buscamos es que este proyecto se pueda instalar en las distintas arterias
principales de esta ciudad, por ende las mejoras de diseo seran las siguientes:
Primeramente queremos que este circuito, que por lo pronto est montado slo es un
protoboard, lo podamos plasmar en una placa, esto usando algn mtodo de impresin y
conexiones de las pistas, para mejorar el transporte y la solidez de las conexiones, puesto
que el protoboard no nos garantiza un cableado estable, puesto que es propenso a que los
cables se desconecten en un trajn o transporte.
Otra mejora de diseo que podemos mencionar es construirle una interfaz o encapsulado,
esto con el fin de poder mantener la placa impresa, la cual ya habremos terminado, en un
estado fijo, este punto consta bsicamente de una caja de algn material pertinente,
adems de acoplarle otras mejoras del circuito, como un fusible, una alarma contra
posibles cortocircuitos, etc.
Queremos agregarle tambin, un contador para que no solo podamos apreciar la cuenta
binaria mediante los leds, sino que vamos a decodificarla para poderla apreciar en unos
displays de 7 segmentos.
Un tercer punto o mejora es agregarle al circuito unos sensores de paso para evitar el
problema de los semforos ya existentes.
El cual es que al momento de un trnsito escaso de vehculos motorizados, a altas horas
de la noche por ejemplo, o en el mismo horario diurno tambin; a veces he observado que
hay automviles que ests parados en la luz roja (en un sentido Norte-Sur) por ejemplo,
pero si vemos en el otro cruce de la pista o el otro sentido del semforo (el sentido Este-
Oeste), no pasa ningn otro tipo de movilidad o vehculo. Esto causa una molestia en los
conductores adems de hacerle perder tiempo en vano, imaginemos que esa movilidad
lleve un herido de urgencia, no queremos imaginarnos el descenlace y para evitar esto,
est nuestro semforo, al cual colocndole unos sensores que detecten si en el otro
sentido se acercan o no otros vehculos en la luz roja del sentido contrario.
7/29/2019 Informe del Semforo
14/14
En esta otra imagen podemos observar un escenario simulado de la vida real en 2D, es decir,
cmo se vera nuestro proyecto instalado en una calle comn y con lo cual queremos que termine
este proyecto que nace como un trabajo encomendado.
Sabemos que para ello tenemos que hacer las coordinaciones correspondientes con una
municipalidad en donde deseemos implementar este proyecto, pero tenemos todas las ganas de
trabajar por la comunidad iquea y el desarrollo del Per, adems de dejar en alto el nombre de la
universidad, por tal motivo estamos dispuestos a continuar con este proyecto y que no quede solo
en esto, un proyecto; sino que queremos verlo como lo muestra la figura siguiente.
Integrantes:
De la Cruz Martnez, DiegoFigueroa aez, Joseph
Zarate Ramirez, Jahir