UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDONIA, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA, SISTEMAS DIGITAIS 1

Prototipo em escala de uma maquina de lavarroupas com funcoes simples usando componentes

digitais discretosAdailton Braga Junior, Beatriz Cristina Reis Cordeiro, Vitoria Martins Passarinho

Resumo—O uso de circuitos digitais causaram uma revolucaona eletronica. Neste trabalho, e mostrado o uso de componentesdigitais em conjunto com analogicos para construcao do comandode acionamento de uma maquina de lavar.

Index Terms—circuitos digitais, portas logicas.

I. INTRODUCAO

A primeira maquina de lavar roupas foi criada em 1797,Nathaniel Briggs. O servico era manual tendo o usuario

que empurrar e puxar uma manivela repetidamente para quea roupa fosse lavada. Com a segunda revolucao industrial,a criacao do motor eletrico foi um passo importante para odesenvolvimento da maquina de lavar conhecida hoje [1].

Este trabalho pretende mostrar os passos na construcao umprototipo do circuito de acionamento de uma maquina delavar roupas com funcoes simples (como enxague, lavagem,timer, molho e outros) usando em sua maioria componentesdigitais discretos, empregando preferencialmente os conceitosda disciplina de Sistemas Digitais, tais como portas logicas eflip − flops, com a finalidade de fixar o conteudo estudadona disciplina.

Os objetivos especıficos do trabalho sao a elaboracao,simulacao e montagem do circuito de acionamento de umamaquina de lavar.

II. MATERIAIS E METODOS

A. Etapas do circuito

O prototipo da maquina de lavar foi projetado para queoperasse em oito etapas, mostradas na Figura 1, sendo elas,em ordem: encher, misturar sabao, molho, lavar, esvaziar pararetirar o sabao, encher para enxague, enxaguar e esvaziar.Alem disso, foi projetado tambem para avisar visualmente comleds quando cada etapa e iniciada, e para acionar o motor delavagem com uma ponte H com a finalidade de alternar osentido de giro do eixo do motor, simulando de maneira maisproxima o funcionamento de uma maquina de lavar utilizadapelos consumidores.

Nao foi possıvel utilizar componentes discretos devido aotamanho do circuito final. Seria necessario uso se varias placasde prototipagem (protoboard), sendo que estas, com qualidade,nao estavam disponıveis no laboratorio.

Etapa 1 - Encher

O circuito da etapa 1, Anexo I, e responsavel pelo aciona-mento da valvula de entrada de agua e pela leitura do sensorde nıvel que indica se o reservatorio da maquina esta cheio.Quando a maquina encher, o sensor envia um sinal de nıvelalto indicando que esta cheia desativando a valvula de entradae, tambem, indicando o fim desta etapa e o inıcio da etapa 2.

Foi utilizado, nesta etapa, um flip-flop do tipo JK (74HC73)devido sua capacidade de memoria pois o sensor de nıvelde agua sera utilizado mais de uma vez no decorrer doprocesso de lavagem e caso contrario, se o flip-flop nao fosseinserido nesta fase, a etapa 2 seria desativada e, tambem,por consequencia da possıvel variacao de leitura do sensor.Como alternativa para representar a logica do funcionamentoda maquina foram utilizadas chaves liga-desliga simbolizandoos sensores de nıvel de agua.

Um circuito de timer com LM555 no modo astavel foiimplementado para gerar o clock requerido por todos os flip-flops presentes no circuito do prototipo, nao sendo exclusivodesta etapa. O clock foi configurado para operar a umafrequencia proxima de 1 kHz e um duty cycle de 50%.

O resistor de 220 Ω na entrada J do flip-flop foi utilizadocom a finalidade de amenizar a flutuacao de tensao nesta porta.

Etapa 2 - Misturar sabao

Esta etapa, Anexo II, e responsavel pelo primeiro aciona-mento do motor fazendo, assim, a mistura do sabao. Para aconstrucao do prototipo foi utilizado um motor DC para finssimbolicos.

Quando esta etapa e ativada, o motor e acionado por meiodo circuito com o LM555 em modo monoestavel durante 15segundos, aproximadamente. Apos esse intervalo de tempo, aetapa 3 e acionada.

O circuito RC de primeira ordem formado pelo resistor R1,capacitor C1, porta NOT (U1:A) e porta AND (U2:A) e usadopara a geracao do pulso no terminal de trigger do LM555 e,consequentemente, o acionamento do motor durante o tempodeterminado.

Na saıda da etapa 2, ha mais um filtro de primeira ordem(resistor R2 e capacitor C2) que e usado para causar umatraso na resposta (entrada da etapa 3), pois logo quando aetapa 2 e acionada, se nao houvesse este filtro, a etapa 3 seriaacionada momentaneamente antes do previsto devido ao atrasodo acionamento do LM555.

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Figura 1. Fluxograma do funcionamento da maquina de lavar

Etapa 3 - Molho

Esta etapa representa o molho, ou seja, o tempo de esperanecessario para aumentar a eficiencia da lavagem (ver AnexoIII). Quando a roupa passa por este processo, a sujeira eretirada mais facilmente.

O circuito desta etapa e quase o mesmo da etapa 2, sendoque a diferenca e que nesta etapa nao ha o acionamento domotor. Ele permanece em modo de espera (standby) por 15segundos. Em seguida, a etapa 4 e acionada.

Etapa 4 - Lavar

Esta e a etapa que lava a roupa efetivamente (ver Anexo IV).O motor e acionado por mais tempo sendo que o princıpio defuncionamento do circuito desta etapa e identico ao da etapa2. A diferenca entre a etapa 2 e a etapa 4 e que o resistor eo capacitor que definem o tempo de lavagem no circuito doLM555 e diferente. Com os valores do resistor R4 = 3.9MΩ eo capacitor C2 = 22uF , o tempo aproximado para a lavageme de 30 segundos.

Etapa 5 - Esvaziar para retirar o sabao

Esta etapa tem o objetivo de descartar a agua do reservatorioda maquina de lavar (ver Anexo V) para adicionar uma novaagua e assim retirar o resto do sabao. O circuito desta etapa ebem parecido com o da etapa 1, mas agora ele aciona a valvulade saıda de agua e, pela leitura do sensor de nıvel (este sensore diferente do utilizado na etapa 1, pois nesta etapa o sensorverifica se o reservatorio esta vazio, enquanto que na etapa 1o sensor verifica se o reservatorio ja atingiu o nıvel de aguapara comecar o processo de lavagem). Quando o reservatorioesvaziar, o flip-flop e acionado para comecar a proxima etapa,de encher o reservatorio novamente.

Diferentemente da etapa 1, nesta etapa ha a inclusao deuma porta AND (U16:A) na entrada do circuito. A porta eusada para verificar se o processo da etapa anterior ja foiconcluıdo. Se a porta nao fosse usada, esta etapa do circuito

seria imediatamente acionada quando a maquina de lavar fosseligada pois o estado inicial dela (nao obrigatorio) e seco, ouseja, a porta mandaria um sinal logico Ligado para o flip-flope ele seria acionado dando prosseguindo a etapa seguinte e aomesmo tempo a etapa 2 tambem seria acionada.

O clock utilizado e o mesmo que o apresentado no circuitoda etapa 1. O resistor de 220Ω na entrada J do flip-flop foiutilizado para amenizar flutuacoes de tensao nesta.

Etapa 6 - Encher para enxague

Esta etapa e responsavel por encher novamente o reser-vatorio da maquina de lavar para comecar o processo deenxague, ou seja, a retirada dos possıveis resıduos de sabao daroupa (ver Anexo VI). Se o usuario quiser, ele pode adicionaro amaciante aqui. Esta etapa e parecida com a etapa 1, mas,assim como na etapa 5, a porta AND (U1:A) na entrada docircuito foi utilizada para verificar se o processo da etapaanterior foi concluıdo.

O clock utilizado e o mesmo que o apresentado no circuitoda etapa 1 e no circuito da etapa 5.

Etapa 7 - Enxague

Esta etapa e responsavel por enxaguar a roupa, Anexo VII.Ele aciona o motor utilizado para o processo de lavagem utili-zando a mesma logica das etapas 2 e 4. O tempo de enxaguee o mesmo tempo de lavagem, ou seja, aproximadamente 30segundos tambem. Depois deste perıodo de tempo, o motor edesligado e a proxima etapa se inicia.

Etapa 8 - Esvaziar

Esta e a etapa em que o reservatorio da maquina de lavare esvaziado novamente, porem, para finalizar o processo delavagem. O circuito e identico ao da etapa 5, Anexo VIII,porem, ao final desta etapa, o ciclo de lavagem encerra. Oclock utilizado e o mesmo que os das etapas anteriores que

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utilizam o flip-flop JK. O flip-flop foi usado nesta etapapara guardar o fim da etapa 8 podendo, no futuro, seremadicionadas mais etapas como, por exemplo, a centrifugacao.

Circuito de sinalizacao de inıcio das etapas

Estes circuitos estao inseridos em todas as etapas. Paraacionar os LEDs (do ingles light emitting diode ou diodoemissor de luz) sinalizadores de inıcio de cada etapa, foramutilizados transistores de juncao bipolar (TJB) do tipo NPNpara amplificar em corrente o sinal de saıda das portas logicas.O Anexo IX mostra todos estes circuitos.

Quando cada etapa e concluıda, o transistor satura, operandocomo chave, e assim a corrente flui do terminal coletor parao emissor, onde o LED esta conectado. O transistor escolhidopara esta operacao foi do tipo NPN BC548.

Circuito de controle de sentido de giro do motor de lavagem

Este circuito, Anexo X, e responsavel pelo controle dosentido de giro do motor utilizado para lavagem. O circuitofoi utilizado para fins de demonstracao usando um motorDC alimentado a 5V. Para provocar a mudanca de sentidodo motor, foi utilizado a ponte H L293D, transistores, e umcircuito timer com LM555 no modo astavel. Foi definido,entao, que o giro do motor trocara de sentido a cada 1.5segundos.

O circuito oscilador e ativado apenas quando uma das etapas(etapas 2, 4 e 7) e acionada. Dessa forma ha economia deenergia mesmo sendo em pequenıssima escala. Para isso, oterminal de Enable (habilitar) do LM555 e conectado juntoaos transistores usados para amplificar o sinal das etapas. Asaıda do LM555 e, entao, ligada a uma porta NOT e a umaporta de ganho, ambas construıdas com transistores. Com isso,os sinais complementares sao ligados nas portas da ponte Hresponsaveis pela inversao de rotacao do motor.

B. Componentes e montagem

A montagem de todo o circuito foi realizada em placas demontagem (protoboard) e os componentes utilizados foramemprestados pelo Laboratorio de Circuitos Eletricos, perten-cente ao Departamento de Engenharia Eletrica da UniversidadeFederal de Rondonia. Os componentes que o laboratorio naotinha foram comprados pelos proprios discentes, no caso, pro-toboards (as do laboratorio estavam em condicoes precarias deuso), cabos jumpers (ha no laboratorio mas nao sao suficientespara todos os alunos) motor DC.

A lista de componentes encontra-se na tabela I.

III. RESULTADOS E DISCUSSOES

Simulacoes do circuito foram feitas utilizando o programacomputacional Proteus. Tudo ocorreu como esperado.

Houve problemas na montagem do circuito fısico pois comodito, foi montado em protoboard, causando ruıdos e maucontato. Por conta da limitacao de pinos da protoboard a ideiainicial de usar componentes discretos, como transistor, para acriacao das portas logicas foi abandonada.

Tabela ILISTA DE COMPONENTES UTILIZADOS

Componentes Descricao Quantidade73LS08 Porta AND 473LS04 Porta OR 474HC73 Flipflop 2L293D Ponte H 1LM555 Timer 6BC548 Transistor NPN 13Resistor 220Ω (1/4 W) 2Resistor 560Ω (1/4 W) 6Resistor 1kΩ (1/4 W) 14Resistor 10kΩ (1/4 W) 3Resistor 100kΩ (1/4 W) 14Resistor 1MΩ (1/4 W) 1Capacitor 10nF Ceramico 11Capacitor 1µF (100V) Eletrolıtico 4Capacitor 10µF (35V) Eletrolıtico 4Capacitor 15µF (50V) Eletrolıtico 1LED 5mm (Vermelho) 7LED 3mm (Verde) 1Motor DC 12V 1Protoboard 830 pinos 2Protoboard 2420 pinos 1Jumper MachoxMacho Conj. 65 unidades 1

Nao levando em consideracao os mau contatos por contado uso de protoboards, o circuito funcionou como esperado.Como esperado, le-se sem nenhuma estranheza ou incon-sistencia e de acordo como planejado (como na simulacao).

Ao final de cada etapa na montagem, os LEDs foramacionados de acordo com o esperado e, tambem, o motorfuncionou perfeitamente mudando o sentido de rotacao comoplanejado.

Com o circuito elaborado, simulado e montado, mostradona imagem 2, foi visto que tudo funcionou perfeitamente senao levar em consideracao os maus contatos e ruıdos causadospelo uso de protoboards.

Figura 2. Circuito inteiro montado em protoboard

IV. CONCLUSAO

Com este trabalho os discentes conseguiram atingir as metasdo objetivo geral do projeto, implementacao do prototipo damaquina de lavar, e os objetivos especıficos, sendo descrito aodecorrer do texto.

Foi visto, tambem, que apesar do uso de componentesdiscretos aumentar significativamente o tamanho do circuito,eles ainda sao uteis para a utilizacao em implementacoes deferramentas do dia-a-dia simples como maquinas de lavarroupas.

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Para trabalhos futuros, e possıvel diminuir o tamanho docircuito usando outros conceitos mostrados na disciplina deSistemas Digitais e, tambem, e possıvel implementar toda alogica do circuito em um microcontrolador. Alem disso, epossıvel enviar mensagens para indicar as etapas e o tempodecorrido por Wifi ou bluetooth para o usuario, atraves domicrocontrolador e um modulo responsavel pela comunicacao.

REFERENCIAS

[1] History of Washing Machines, ThoughtCo., April 12, 2017. Acessoem 16 de maio de 2017. Disponıvel em https://www.thoughtco.com/history-of-washing-machines-1992666.

[2] BOYLESTAD, Robert e NASHELSKY, Louis, Dispositivos Eletronicose Teoria de Circuitos, 10th ed. Prentice Hall do Brasil.

[3] FLOYD, Thomas L.. Digital Fundamentals - A systems approach.Pearson Education, 2013.

[4] FLOYD, Thomas L.. Digital Fundamentals. Pearson Education, 10th

Edition, 2009.

[5] TOCCI, Ronald J.. Digital Systems - Principles and applications.PEARSON, 11o Edition, 2011.

[6] FAIRCHILD - Datasheet LM555. Disponıvel em http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm555.pdf

[7] Datasheet 74HC73 - Flip-flop JK. Disponıvel em https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC73.pdf

[8] Datasheet 74LS08 - Porta AND. Disponıvel em http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheets/70/375337 DS.pdf

[9] Datasheet 74LS04 - Porta NOT. Disponıvel em http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/70/375318 DS.pdf

[10] Datasheet L293D - Ponte H. Disponıvel em http://www.ti.com/lit/ds/symlink/l293.pdf

[11] Logisim, a graphical tool for designing and simulatinglogic circuits. Flip-Flops D/T/J-K/S-R. Diponıvel em http://www.cburch.com/logisim/docs/2.7/pt/html/libs/mem/flipflops.html.Acesso em 14 de junho de 2017.

[12] Jader Bernardo, O CI 555 - Configuracao Biestavel.EletronWorld. Disponıvel em http://eletronworld.com.br/eletronica/o-ci-555-configuracao-biestavel/. Acesso em 14 de junho de 2017.

[13] Eletronica Digital, Utilizando o CI 555. Disponıvel emhttp://clubedotecnico.com/area vip/apostilas/eletronica digital/ed-313-utilizando CI555.pdf. Acesso em 14 de junho de 2017.

[14] Eletronica Geral, Circuito integrado 555 e suas aplicacoes. Disponıvelem http://www.clubedaeletronica.com.br/Eletronica/PDF/Circuitos%20com%20555.pdf. Acesso em 14 de junho de 2017.

[15] Universidade Federal de Juiz de Fora - Laboratorio de Eletronica -CEL037. Disponıvel em http://www.ufjf.br/fabricio campos/files/2011/08/pratica 2 aplicacoes 555.pdf. Acesso em 14 de junho de 2017.

[16] Manual de Instrucoes - POP Tank. Disponıvel em http://www.mueller.ind.br/media/arquivos/manuais/manual-poptank.pdf

[17] Manual de Instrucoes - Lavadora Lavete Intense. Disponıvel emhttp://img.americanas.com.br/produtos/01/02/manual/113307658.pdf

[18] Manual de Instrucoes - Consul Floral. Disponıvel emhttp://consulwp.s3.amazonaws.com/wp-content/uploads/2013/04/CWI07A Manual-3847.pdf

Adailton B. Junior nasceu em PortoVelho, Rondonia, em 1996. Graduandoem Engenharia Eletrica pela UniversidadeFederal de Rondonia desde julho de2014. Realiza pesquisas na area deprocessamento digital de imagens e teminteresse pelas areas de processamentode sinais, eletronica de potencia, esimulacao computacional de fenomenosfısicos.

Currıculo Lattes disponıvel em:http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K8040990U6.

Beatriz C. R. Cordeiro nasceu em Porto Velho,Rondonia, em 1996. Ela e graduanda em Engenha-ria Eletrica pela Universidade Federal de Rondoniadesde julho de 2014. Possui interesse nas areasde sistemas eletricos de potencia, eletronica depotencia, energias renovaveis e em Smart Grids.

Currıculo Lattes disponıvel em: http://lattes.cnpq.br/6109459940410639.

Vitoria M. Passarinho nasceu em Porto Velho,Rondonia, em 1996. Ela e graduanda em Engenha-ria Eletrica pela Universidade Federal de Rondoniadesde julho de 2014. Tem interesse na area desistemas eletricos de potencia.

Currıculo Lattes disponıvel em: http://lattes.cnpq.br/8533535841674138

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Figure 3. Circuito da etapa 1.

Anexo I

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Figure 4. Circuito da etapa 2.

Anexo II

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Figure 5. Circuito da etapa 3.

Anexo III

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Figure 6. Circuito da etapa 4.

Anexo IV

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Figure 7. Circuito da etapa 5.

Anexo V

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Figure 8. Circuito da etapa 6.

Anexo VI

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Figure 9. Circuito da etapa 7.

Anexo VII

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Figure 10. Circuito da etapa 8.

Anexo VIII

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Figure 12. Circuito de acionamento dos LEDs.

Anexo IX

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Figure 11. Circuito de acionamento do motor.

Anexo X