Informe del Semáforo

7/29/2019 Informe del Semforo

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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


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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.


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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


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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.


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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).


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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


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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:


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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.


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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


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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.


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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


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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.


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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.


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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

Documents

Informe del Semáforo