Relatorio

Relatório do Trabalho Prático-Laboratorial Nº 2

Projecto de um Controlador Digital

de Semáforos

Sistemas Digitais II

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de

Computadores

Junho de 2013

Grupo 2

Filipe Fontes Nº6142 João Figueiredo Nº5424

Eng. Electrotécnica e de Computadores – Sistemas Digitais II – 2012/2013 Relatório 2

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Resumo

O projecto proposto consiste na construção de um controlador digital de semáforos,

cujo processo ocorre desde a concepção da máquina de estados, passando pela extracção de

equações, pelo desenho e simulação do circuito e posterior simplificação até à implementação

física e projecção de uma PCI para o efeito.

Após a análise profunda do problema enunciado começou por abordar-se e desenhar-

se uma máquina de estados que correspondesse ao problema.

Posto isto, o desenho da tabela de verdade correspondente e extracção posterior de equações

não causou qualquer questão uma vez que a máquina de estados estaria bem concebida.

Seguidamente a simulação inicial tendo em conta as extracções das equações revelou-

se bastante complexo e como era pretendida uma simplificação do mesmo de modo a reduzir

custos e o tamanho da PCI chegou-se à conclusão que através de um multiplexer seria possível

simplificar significativamente o circuito, diminuindo o número de circuitos integrados a utilizar.

Obteve-se um circuito mais simples e igualmente de funcionalidade total.

A montagem física do circuito através da breadboard suscitou problemas no seu

funcionamento, tendo sido analisado e refeito diversas formas com componentes diferentes,

dando sempre o mesmo erro pelo que foi possível aferir que se deveu a questões externas que

afectam o perfeito desempenho de um circuito electrónico.

A projecção final da PCI não suscitou questões de maior, tendo estas surgido apenas

nos cálculos de dimensionamento das pistas, problema que rapidamente foi solucionado.

No decorrer da leitura do relatório será possível verificar a abordagem aprofundada a

estas questões através da exposição dos cálculos, tabelas, imagens que elucidam, de forma

decisiva, o leitor para todos os passos realizados e os resultados obtidos através dos mesmos.


2

Índice

Resumo .......................................................................................................................................... 1

Índice de Figuras ........................................................................................................................... 3

Índice de Tabelas ........................................................................................................................... 4

1 Introdução ............................................................................................................................. 5

2 Descrição Técnica .................................................................................................................. 8

2.1 Abordagem inicial .......................................................................................................... 8

2.1.1 Processo de simulação do circuito ...................................................................... 10

2.2.2 Projecção da PCI……………………………………………………………………………………………..15

3 Conclusões........................................................................................................................... 18

4 Referências Bibliográficas ................................................................................................... 19


3

Índice de Figuras

Fig. 1 – Diagrama de blocos do controlador de semáforos. 6

Fig. 2 – diagrama de blocos do sistema a desenvolver. 6

Fig.3 – Máquina de estados desenvolvida para o projecto. 8

fig 4 - sim opçao 1 10

fig 5 - sim opçao 2 com prescaler 11

Fig.6- Simulação do primeiro circuito projectado 12

Fig. 7 - Simulação do circuito com multiplexer 14

Fig.8 – Simulação do circuito simplificado 15

Fig.9 – Montagem física do circuito projectado 16

Fig.10 – Datasheet BC558 17

Fig.11 – Esquemático do desenho da PCI 17

Fig.11 –Projecção em 3D da PCI 18


4

Índice de Tabelas

Tabela 1 – tabela de verdade


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1 Introdução

Este trabalho prático consiste no desenvolvimento de um circuito digital para controlar

dois semáforos, sendo um para peões e outro para automóveis. O objectivo dos semáforos é

garantir a passagem das pessoas de forma segura obrigando os veículos que circulem a uma

velocidade superior a 50Km/h a efectuarem uma paragem. A circulação dos veículos dá-se

apenas num sentido e o funcionamento dos semáforos ocorre da seguinte forma:

- Com a luz verde do semáforo dos veículos acesa, o semáforo dos peões fica vermelho.

- Quando um peão pressiona o botão junto do semáforo dos peões ou quando há excesso de

velocidade (50Km/h) por parte de um veículo, o semáforo dos automóveis comuta para

amarelo, onde fica dois segundos, ficando o semáforo dos peões vermelho como

anteriormente.

- Passados dois segundos, o semáforo dos veículos comuta para vermelho, sendo que desta

vez o semáforo dos peões também sofre uma comutação para verde, permanecendo verde

durante oito segundos.

- Volvidos os oito segundos, o semáforo dos peões comuta para vermelho e, por sua vez, o

semáforo dos veículos comuta para verde como no início.

Para a implementação do circuito digital pretendido é necessário ter em consideração

que esta se restringe a circuitos integrados da série 74 do tipo SSI (Small Scale Integration) e

MSI (Medium Scale Integration), sem que seja de todo permitida a utilização de

microcontroladores e de dispositivos lógicos programáveis.

Quanto à estrutura do circuito no que concerne entradas e saídas, este possuirá duas

entradas P e R que correspondem ao botão de pressão dos peões e à saída do medidor de

velocidade por radar. As saídas correspondem às lâmpadas dos semáforos dos peões, sendo

RP (vermelho) e GP (Verde), sendo as lâmpadas dos semáforos dos veículos, RA (vermelho), YA

(amarelo) e GA (verde), tal com o esquema apresentado abaixo indica.


6

Fig. 1 – Diagrama de blocos do controlador de semáforos.

Concluído este processo e após a montagem física do circuito para a realização dos

testes necessários é pretendida a construção de uma PCI (Placa de Circuito Impresso) com

dupla face, tecnologia de montagem superficial de modo a comportar o controlador digital,

circuito de relógio, circuito de alimentação e as interfaces de entrada e saída projectados

anteriormente. A PCI deverá ser desenhada através de ferramentas CAD (Computer Aided

Design) segundo as características anunciadas seguidamente.

A entrada da placa será de +12V (CC) de modo a permitir a alimentação de todo o

circuito, pelo que será necessário um regulador de tensão, 7805, para que a tensão fornecida

ao controlador digital seja de +5V (CC). O interface de saída, baseado em relés uma vez que as

saídas do controlador digital serão ligadas, uma a uma, relés através de transístores. A PCI irá,

também, possuir um bloco de dois terminais para a alimentação e outro bloco de dois

terminais para as entradas. Para as cinco saídas utilizar-se-ão cinco blocos com dois terminais

cada como indica o diagrama de blocos abaixo.

Fig. 2 – diagrama de blocos do sistema a desenvolver.

Existem, no entanto, mais considerações a ter na projecção da PCI, entre as quais, que

esta deverá ter o menor tamanho possível. Posto isto, será necessário colocar os componentes

electrónicos em ambas as faces de modo a promover uma melhor organização espacial. O

software de CAD a utilizar é o Design Spark.


7

Resta colocar outras considerações relativas à PCI impostas pelo próprio processo de

fabrico, sendo os componentes SMD (montagem superficial), excepto os relés, conectores e

blocos terminais que serão through-hole e o processo de soldadura será efectuado por reflow.

- O formato será rectangular ou quadrado;

- A placa será de dupla face (double-sided);

- A espessura da camada de cobre será de 1oz;

- O tipo de substrato a utilizar é o FR-4 cuja permissividade relativa é de 4,70;

- A espessura do substrato será de 0,30mm;

- Os furos serão banhados a cobre com a espessura de 1mil e largura mínima de 3mil;

- A largura mínima da pista será de 3mil;

- O espaçamento mínimo entre pistas será de 3mil;

Através da descrição técnica serão descritos todos os processos realizados, assim como

todos os cálculos efectuados, acções de pesquisa e explicações que se considerem oportunas e

proveitosas à realização do trabalho prático em questão.


8

2 Descrição Técnica

2.1 Abordagem inicial

Após a leitura e análise aprofundada do enunciado iniciou-se o desenvolvimento

efectivo do trabalho. Inicialmente, foi necessária a construção de uma máquina de estados,

seguida da respectiva tabela e mapas de Karnaugh de modo a retirar as equações de estado

simplificadas.

Fig.3 – Máquina de estados desenvolvida para o projecto.

Posto isto, executou-se a tabela que se segue de transições de estados para extrair as

equações de saída para os flip-flops do tipo D utilizados, sendo os sublinhados

correspondentes às negações.


9

Q1 Q0 R P T1 T2 Q1 Q0 RP GP RA YA GA

0 0

0 0

P.R P+R

X X

X X

0 0

0 1

0 1 1 1 0

0 0

1 1

X X

X X

1 0

X X

1 0

0 1

0 1 1 0 1

1 1

0 0

X X

X X

X X

1 0

0 1

0 0

1 0 0 1 1

1 1 X X X X 0 0 X X X X X

Tabela 1- Tabela de verdade

Seguidamente, foi necessário extrair as expressões de saída através dos mapas de Karnaugh:

Equações extraídas:

Q1*=(Q1|*Q0*T1)+(Q1*Q0|*T2|)

RP=Q1

GP=Q1|+Q0

RA=Q1|+Q0

GA=Q1+Q0

O0*=((Q1| *Q0|)*(P+R)) *(Q1|*Q0)*T1|)

Para a análise do problema em questão foi necessário abordar duas condições

distintas que serão descritas e apresentadas abaixo. A primeira, em que o circuito ficou

complexo, com demasiados integrados mas totalmente funcional e a segunda, em que o

circuito ficou completamente simplificado.

Todo este processo foi fundamental para cumprir um requisito bastante importante do

enunciado que consistia na necessidade de redução dos circuitos integrados utilizados de

modo a que os custos fossem menos elevados na sua montagem posterior quer em

breadboard, quer na PCI.

\Q1 QO

0 1

0 0 1

1 0 X

\Q1 QO

0 1

0 1 0

1 1 X

\Q1 QO

0 1

0 1 0

1 1 X

\Q1 QO

0 1

0 0 1

1 1 X

\Q1 QO

0 1

0 1 1

1 0 X


10

2.1.1 Processo de simulação do circuito

Será, nesta fase, projectada e dimensionada a simulação do circuito a implementar

fisicamente.

Em primeiro lugar projectou-se o sinal de relógio a aplicar ao circuito através do Circuito

Integrado NE555.

O circuito de relógio terá como finalidade fornecer um sinal de relógio (clock) ao

contador binário de quatro bits de modo a que a contagem seja efectuada de acordo com os

segundos necessários para as diferentes etapas de funcionamento.

Como tal, para a implementação do circuito de relógio existem duas formas distintas

de aplicação, sendo uma através de dois circuitos integrados NE555 e a outra através de um

prescaler.

Para a primeira opção utilizaram-se os circuitos integrados 74ls163, o NE555, o 74ls00

e, por fim, o 74ls04. Através da configuração pretendida para o timer NE555 foi possível obter

uma frequência de 1Hz. Sendo assim, o contador binário de 4 bits, 74ls163, incrementa a cada

segundo. A contagem dos dois segundos iniciais e dos oito segundos posteriores é feita através

da utilização de todos os bits, excepto o bit mais significativo. Sendo assim, os dois segundos

iniciais mais os oito segundos

posteriores perfazem dez

segundos no total. No entanto,

como na tabela de verdade o

numero dois e o dez em binário

são iguais a 010, utilizando o

circuito integrado 74ls04, nega-se

os dois bits dos extremos e, de

seguida, através do 74ls11 obter-

se-á um nível lógico alto quando todas as entradas forem 1, ou seja, quando corresponderem

aos segundos dois e dez, uma vez que o circuito 74ls04 se trata de uma porta AND. Para

efectuar o reset ao contador e aos flip-flops convém que o mesmo seja feito em simultâneo

para que não ocorra qualquer mistura entre os dados. Posto isto, como convém fazer reset

quando a contagem chegar a dez, através do bit mais significativo e da saída do 74ls11 aplica-

se o circuito integrado 74ls00 de modo a devolver o nível lógico 0 quando as entradas

Fig.4 - Simulação da Opção 1


11

estiverem no nível lógico alto, uma vez que o bit mais significativo quando a contagem estiver

nos dez segundos apresenta o nível lógico 1 e com o nível lógico 1 da saída do 74ls11 será

possível obter o resultado pretendido.

Por outro lado, no que concerne a segunda opção, para o circuito de relógio utilizou-se

um prescaler de modo a dividir a frequência de 16Hz obtida através da configuração do NE555.

Como o contador binário de 4bits também se comporta como um divisor de frequência, ou

seja, para o bit menos significativo a frequência será dividida por um, para o bit seguinte será

dividida por quatro, no seguinte por oito e, por fim, no bit mais significativo será dividida por

16. Como tal, as frequências obtidas pelo 74ls163 serão de 16Hz, 4Hz,2Hz e 1Hz. Logo, a

frequência de 1Hz será ligada no clock de outro circuito integrado 74ls163, sendo a frequência

de 2Hz ligada aos clock dos flip-flops. A contagem dos dois e dez segundos será feita da mesma

forma enunciada na primeira opção, sendo de referir também que a saída do circuito

integrado 74ls00 deverá ser ligada ao segundo contador binário de 4bits tal como a figura

seguinte indica.

Apesar das duas opções serem viáveis, para a implementação do circuito dos semáforos foi

utilizada a primeira opção já que o seu nível de consumo em potência é muito mais favorável

em relação à segunda opção uma vez que o 74ls163 necessita de 92,5mW de potência dada a

sua complexidade. Além de que é importante referir que a primeira opção necessita de mais

condensadores em relação à segunda pelo que se decidiu usar um condensador through-hole

em vez de em SMD, uma vez que estes são mais susceptíveis a avarias e o processo

seleccionado teve em conta a acessibilidade no seu processo de substituição se necessário.

Fig. 5 – circuito de relógio com prescaler


12

Segue-se a implementação do circuito ainda sem simplificações através da simulação no

Software Multisim.

Fig.6- Simulação do primeiro circuito projectado

Apesar de ser totalmente funcional, esta implementação é bastante complexa e não

seria de todo a melhor para implementar em meio físico numa breadboard. Dada a

complexidade do circuito simulado na primeira proposta apresentada, decidiu-se utilizar um

multiplexer de forma a simplificar o circuito. Através da tabela elaborada para a primeira

proposta retiraram-se as entradas precisas para colocar as entradas dos flip-flops ao nível alto,

tanto para D1 como para D2.

As entradas de selecção do multiplexer serão, portanto, conectadas às saídas dos flip-

flops Q0 e Q1. Portanto os

resultados aferidos foram os

seguintes:

D1

Estado Entradas

III – Circuito do multiplexer I Fig. 7 - Simulação do circuito com multiplexer


13

00 0

01 T1

10 T2 negado

11 0

D0

Como nota, será importante referir que este pequeno circuito

não trouxe só uma maior simplificação como também a redução do consumo de potência, algo

fundamental no tamanho da PCI que com a primeira proposta seria bastante mais elevada.

Para efectuar os cálculos para a potência consumida, de modo a operarem, por parte de cada

um dos circuitos integrados utilizados aplica-se a expressão P=VCCxICC:

74ls74

NE555

74ls00

74ls04

Estado Entradas

00 P+R

01 T1 negado

10 0

11 0


14

Como só são utilizadas três portas lógicas o CI vai ter 6mW de potência consumida. Deste

modo o circuito obtido, também totalmente funcional foi o da imagem que se segue.

Fig.8 – Simulação do circuito simplificado

Segue-se a montagem física do circuito projectado que devido a inúmeros factores,

tais como, defeitos em componentes, problemas nos fios e na breadboard, entre outros

problemas relativos a factores externos o circuito não funcionou correctamente, estando

todas as ligações verificadas e mesmo tendo sido montado de raiz por diversas ocasiões

sempre sem se obter o seu funcionamento correcto. A montagem pode ser verificada na figura

abaixo.


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Fig.9 – Montagem física do circuito projectado

2.1.1- Projecção da Placa de Circuito impresso

A utilização de PCIs, placas de circuito impresso, possui inúmeras vantagens na sua

utilização entre as quais alto nível de repetibilidade, características eléctricas muito

semelhantes, probabilidade de erros entre os quais curto-circuitos ou falha de ligações será

muito menor além de que a reparação dos equipamentos é muito mais simples. A sua base ou

substrato deve ser uma placa fina de material isolante, podendo ser rígida ou flexível,

suportando todos os componentes electrónicos. Os condutores impressos são geralmente em

cobre com elevado grau de pureza, tendo a forma de pistas de diferentes formas e tamanhos

acopladas à base. De modo a retirar cobre e a estabelecer um conjunto de padrões entre as

interligações dos componentes electrónicos existindo para o efeito algumas técnicas para o

efeito entre as quais um processo químico de decapagem do cobre e o desbastamento com

fresadora (CNC).

Existem, também, cuidados a ter com as características eléctricas a ter em conta no

seu fabrico, entre as quais, tem de haver imunidade a interferências causadas por outros

sistemas assim como a não produção de emissões que causem problemas a outros sistemas,

sinais com boa qualidade, tendo portanto, baixo ruído e baixa distorção.


16

A implementação de um relé, muito utilizados para terminais de conexão em PCIs,

funciona do seguinte modo: para o accionamento do relé a corrente proveniente das portas

lógicas é pouca, logo será necessário o auxílio de um transístor em cada saída de modo a

fornecer a corrente necessária ao funcionamento do relé. Como o relé necessita no mínimo de

30mA para accionar as portas lógicas OR, a corrente de saída no estado baixo será de 16mA.

Portanto, o transístor seleccionado para o circuito foi o BC558, que tal como se pode verificar

Fig.10 – Datasheet BC558

na figura seguinte apresenta características que permitem que seja implementado no circuito

e, ao mesmo tempo, trabalhar com folga.

Será também importante referir que a corrente da lâmpada vermelha para os peões

não provém de uma porta OR, mas directamente de uma saída do flip-flop. Esta saída ainda vai

ligar a uma entrada do multiplexer. Sendo assim, é necessário subtrair à corrente do flip-flop à

corrente de entrada no estado baixo do multiplexer. Como o requisito para a largura mínima

das pistas exigia uma largura na ordem dos 0,075mm (3mil), através da fórmula representada

abaixo é possível calcular a corrente que uma pista com a largura mínima anunciada pode

aguentar. Portanto,

(

) (

)

Onde:

h= espessura da camada de cobre(requisitos 35,5 um(1oz))

Wmin=3mil


17

K=0,048(exterior)

∆t=15Cº(

) )

Em suma, a largura mínima da pista aguentará até 425mA, ou seja, a partir deste valor

ter-se-á de calcular a largura da pista. No caso desta placa, não será necessária qualquer

alteração uma vez que a corrente nunca chegará a ultrapassar o valor calculado previamente.

O único local onde esta corrente poderá ser ultrapassada será na saída dos relés mas como os

relés estão ligados directamente à saída e a distância da pista é reduzida, admite-se que não

haverá qualquer problema.

Recorrendo ao design spark, programa CAD para o projecto de PCIs, com o estudo

prévio dos processos através da execução do trabalho preparatório, criou-se a placa de PCI

correspondente à solução adoptada. Os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo que as

figuras que se seguem demonstram o esquema obtido, assim como a projecção da PCI em 3D.

Fig.11 – Esquemático do desenho da PCI


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Fig.12 – Projecção em 3D da PCI

3 Conclusões

Todo o processo decorrido ao longo deste projecto permitiu adquirir diversas

competências no âmbito da matéria teórica leccionada anteriormente. Ente os quais todo o

processo de análise e concepção do sistema desde o desenho inicial da máquina de estados

até ao desenho da PCI, passando pela extracção de equações através da tabela de verdade da

máquina de estados, simulação do circuito numa fase inicial mais complexa, tendo sido

posteriormente simplificada através da implementação de um multiplexer.

Seguidamente com a montagem física do circuito, uma fase do projecto que suscitou

bastantes adversidades uma vez que mesmo montando e refazendo a montagem diversas

vezes, sempre a verificar as ligações e tentando disposições diferentes dos componentes na

breadboard chegou-se à conclusão que o problema apenas se poderia dever a falhas nos

componentes, problemas na breadboard como por exemplo linhas queimadas, assim como

nos fios e outros factores externos que podem influenciar o funcionamento ideal de um

circuito electrónico. Era apenas possível ver os LEDs que sinalizavam os sinais de relógio e uma

das luzes do semáforo acesa, desligando sem critério aparente.Neste processo é de referenciar


19

a disponibilidade do docente em auxiliar sempre que necessário de modo a optimizar todas as

etapas e a corrigir erros que surgissem.

O desenho da PCI não causou grandes questões, apenas no dimensionamento das pistas

mas que foi prontamente solucionado, uma vez que o erro foi rapidamente identificado e

corrigido.

Em suma, tratou-se de um trabalho prático bastante proveitoso quer ao nível teórico-

prático quer ao nível de desenvolvimento de sentido crítico perante as decisões tomadas. No

geral, todos os objectivos foram atingidos de forma satisfatória conclusão a que se chegou

após a conclusão do projecto. O conhecimento prático adquirido na projecção de PCIs é

também de realçar, uma vez que se trata de uma ferramenta bastante importante não só para

a conclusão da licenciatura, como também futuramente em questões laborais.

4 Referências Bibliográficas

Prof. Nuno Peixoto, Prof. João Borges, Slides da UC Sistemas Digitais II

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