INTRODUCCIÓN
La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia en nuestra vida diaria, debido a que es utilizada para operar en los dispositivos muy útiles en la actualidad, como tenemos tenemos sistemas programables, celulares, celulares, ordenadores, ordenadores, estos
están basados basados en microprocesadores, microprocesadores, micro
controladores, memorias que gracias a los circuitos digitales y al ingenio humano pueden mejorarse para cumplir con nuestras expectativas. Para lograr entender la tecnología digital es necesario comprender sus principios básicos, y uno de ellos es que se basa en la algebra booleana, (lógica binaria) y el sistema de numeración binario, así se puedan realizar complejas operaciones lógicas o aritméticas. Estas basada en señales de voltaje. En nuestro presente proyecto para empezar a comprender la electrónica digital, estamos llevando a cabo la configuración configuración necesaria para obtener obtener un dispositivo de señalización muy necesario necesario en nuestra vida diaria aun más si dependemos de un automóvil. El semáforo es usado para regular el tráfico de vehículos y el tránsito de peatones. Así tendremos que depender de los circuitos digitales para lograr el cambio de luces, de colores verde rojo y amarillo. Para lograr la construcción de nuestro semáforo hemos puesto en practica los temas ya aprendidos en el curso de Circuitos Digitales, aplicando el algebra booleana, simplificación de circuitos basado en compuertas lógicas, y el sistema de numeración binaria.
OBJETIVOS:
Construcción
de un semáforo de doble vía basado en el diseño de un circuito digital usando
compuertas lógicas, algebra booleana y sistema de números binarios. Diseño
de una etapa de potencia que ira anexada al circuito digital para alimentar a los
focos de nuestro semáforo. Simulación
del circuito con compuertas lógicas en el software Proteus v.7.8.
Simulación
de la etapa de Potencia usando la parte digital.
Diseño del
circuito digital usando compuertas lógicas en el PCB EN SOFTWARE . Ares. Vs7.8
Implementación del Regulación TABLA
circuito de compuertas en el Protoboar (semáforo).
de los ciclos del
DE VERDAD DEL
Timer.
FUNCIONAMIENTO
DIGITAL DE LAS COMPUERTAS.
COMPUERTAS LÓGICAS Hay disponible una gran variedad de compuertas estándar, cada una con un comportamiento perfectamente definido, y es posible combinarlas entre sí para obtener funciones nuevas. Desde el punto de vista práctico, podemos considerar a cada compuerta como una caja negra, en la que se introducen valores digitales en sus entradas, y el valor del resultado aparece en la salida. Cada compuerta tiene asociada una tabla de verdad, que expresa en forma de lista el estado de su salida para cada combinación posible de estados en las entradas. Si
bien al pensar en la electrónica digital es muy común que asumamos que se trata de
una tecnología relativamente nueva, vale la pena recordar que
Claude E.
Shannon
experimento con relés e interruptores conectados en serie, paralelo u otras configuraciones para crear las primeras compuertas lógicas funcionales. En la actualidad, una compuerta es un conjunto de transistores dentro de un circuito Integrado, que puede contener cientos de ellas. De hecho, un microprocesador no es más
que un chip compuesto por millones de compuertas lógicas.
COMPUERTAS N-AND (INTEGRADO 74LS00) Cualquier compuerta lógica se puede negar, esto es, invertir el estado de su salida, simplemente agregando una compuerta NOT que realice esa tarea. Debido a que es una situación muy común, se fabrican compuertas que ya están negadas internamente. Este es el caso de la compuerta NAND: es simplemente la negación de La compuerta AND vista anteriormente. Esto modifica su tabla de verdad, de hecho la invierte (se dice que la niega) quedando que la salida solo será un 0 cuando todas sus entradas estén en 1. El pequeño círculo en su salida es el que simboliza la negación. El número de entradas debe ser como mínimo de dos, pero no es raro encontrar NAND de 3 o más entradas. Las compuertas lógicas usando en el circuito son NAND en el cual se usan el integrado (7400).
TIMER O TEMPORIZADOR (INTEGRADO 555) El timer 555 es un circuito integrado , el cual es usado como un multivibrador Controlador de voltaje oscilatorio. Este
circuito consiste
básicamente
o
en dos
Comparadores, resistencia divisora de voltaje, un flip flop y descarga al transmisor, Estos dos estados dividen de quien los pueda manejar un alto voltaje o bajo voltaje. El estado de salida puede ser controlado controlador
por sus propiedades
en señal de entrada
y reloj
de los elementos que contienen a este. Este tipo de funcionamiento se
caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito para la regulación de este integrado o timer se utiliza una fórmula que depende de las resistencias y el condensador electrolítico.
T RA,RB C
= tiempo en segundos. = Resistencias =Condensador electrolítico
CONTADOR (INTEGRADO 7493).El contador 7493 utilizan 4 flip-flops JK en modo de conmutación, con entradas de reloj ÇP0 y ÇP1 en donde ÇP1 es la entrada de reloj del segundo flip-flop por lo que para formar un contador de 4 bits mod-16 hay que conectar la salida del primer flip-flop de manera externa (puente) con la entrada ÇP1, quedando ÇP0 como la entrada de reloj del contador. También tiene dos entradas de reset (MR1 y MR2) las cuales no se deben dejar desconectadas (flotando) porque, como estas se activan en ALTA, al estar flotando toman un nivel ALTO lo que mantendría en reset al contador.
SEMÁFORO
Los semáforos son dispositivos de señales que se sitúan en intersecciones de calles, pasos de peatones y otros lugares para regular el tráfico de vehículos y el t ránsito de peatones. SEMÁFORO SEGÚN EL MTC CAPITULO5 5.2.1.2. ESTUDIOS NECESARIOS DE INGENIERIA DE TRÁNSITO
Se debe efectuar previamente una investigación de las condiciones del tránsito y de las características físicas de la intersección para determinar si se justifica la instalación de semáforos y para proporcionar los datos necesarios para el diseño y la operación apropiada de un semáforo. 5.2.1.3. SIGNIFICADO DE LAS INDICACIONES 5.2.1.3.1. COLOR
Las lentes de los semáforos para el control vehicular deberán ser de color rojo, amarillo y verde. Cuando se utilicen flechas, éstas también serán rojas, amarillas y verdes sobre fondo negro. Las lentes de las caras de un semáforo deberán preferiblemente formar una línea vertical. El rojo debe encontrarse sobre la parte alta, inmediatamente debajo debe encontrarse el amarillo y el verde de último. 5.2.1.3.2. SIGNIFICADO Y APLICACIÓN DE LOS COLORES
La interpretación de los colores de los semáforos es como sigue: A)VERDE 1. Los conductores de los vehículos, y el tránsito vehicular que observe esta luz podrá seguir de frente o girar a la derecha o a la izquierda, a menos que alguna señal (reflectorizada o preferentemente iluminada) prohiba dichos giros. 2. Los peatones que avancen hacia el semáforo y observen esta luz podrán cruzar la vía (dentro de los pasos, marcados o no) a menos que algún otro semáforo indique lo contrario. B) AMARILLO 1. Advierte a los conductores de los vehículos y al tránsito vehicular en general que esta a punto de aparecer la luz roja y que el flujo vehicular que regula la luz verde debe detenerse. 2. Advierte a los peatones que no disponen de tiempo suficiente para cruzar la vía, excepto cuando exista algún semáforo indicándoles que pueden realizar el cruce.
3. Sirve para despejar el tránsito en una intersección y para evitar frenadas bruscas. Algunas condiciones físicas especiales de la intersección, tales como dimensiones, topografía (pendientes muy pronunciadas), altas velocidades de aproximación o tránsito intenso de vehículos pesados requieren un intervalo o duración mayor que el normal para despejar la intersección. En tal caso, se empleará un intervalo normal de amarillo seguido de la luz roja en todas las direcciones durante otro intervalo adicional para desalojar totalmente la intersección. En ningún caso se cambiará de luz verde o amarilla intermitente a luz roja o rojo intermitente sin que antes aparezca el amarillo durante el intervalo necesario para desalojar la intersección. Sin embargo, no se empleará en cambios de rojo a verde total con flecha direccional, o al amarillo intermitente. C) ROJO FIJO 1. Los conductores de los vehículos y el tránsito vehicular debe detenerse antes de la raya de paso peatonal y, si no la hay antes de la intersección, y deben permanecer parados hasta que vean el verde correspondiente. 2. Ningún peatón frente a esta luz debe cruzar la vía, a menos que esté seguro de no interferir con algún vehículo o que un semáforo peatonal indique su paso. Nunca deberán aparecer simultáneamente combinaciones en los colores de los semáforos, excepto cuando haya flechas direccionales con amarillo o con rojo, o cuando se use el amarillo con rojo para alertar a los conductores del próximo cambio a verde.
MATERIALES: y
y
PARTE DIGITAL: TIMER (555)
01
01 CONTADOR (7493)
04 COMPUERTAS N-AND (integrado 74ls00)
01
01 Condensador 10uf a 16v.
01 Resistencia 6.8k ohmios.
01 Resistencia de 60k ohmios.
FUENTE
DE 5V.-DC
PARTE (ETAPA DE POTENCIA) 06
Relé de 12v -10A 5patas.
06 Transistores 06
BC547-NPN.
focos 25watt-220v.
Cable automotriz.
y
Fuente
12v.-DC
Fuente
de 220v-AC
ADICIONALES: 01
Placa de fibra de vidrio.
01 Acido férrico. Cautín y estaño. Papel celofán (rojo, amarillo, verde) Papel fotográfico.
DESIGNACION DEL CIRCUITO PARA UN SEMAFARO El circuito digital que hemos elaborado corresponde al funcionamiento de un semáforo de doble vía. El cual trata de dos semáforos donde su funcionamiento de luces es una secuencia lógica ya que en un semáforo debe estar rojo mientras que en el otro debe estar verde un cierto tiempo. El segundo semáforo que está en luz verde deberá cambiar amarillo y luego a rojo mientras que el primer semáforo que está en rojo va a cambiar directamente a verde y eso sucesivamente pues los focos de colores de los semáforos hará el cambio cada cierto tiempo y así cumplir con su funcionamiento y para lo que esta echo.
FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO:
El funcionamiento de este circuito corresponde con un timer (integrado 555) el cual tiene que regularse y en este caso lo regulamos con resistencias de 6.8k y 60k los cuales van conectados a las patas (2 y 7) ,
la pata ( 2) va unida con la pata (6) y los cuales van
conectados con un condensador 10uf y la pata 01 va conectado a tierra y las patas 08 y 04 son salidas de voltaje en CC. En este caso alimentamos con una fuente de 5v. La pata 03 del timer es la salida la cual va ir conectado con el contador (7493) en la pata (14) y la pata (01 y 12) va unidas o puenteadas, la pata 02 va ir conectado a una fuente de voltaje de 5V-CC y la 03 va ha conectado a tierra. Las patas del contador (09, 08, 11) van conectadas con las compuertas lógicas NAND (7400) las cuales se utilizan para la lógica que vamos a dar según nuestra tabla de verdad. Una
vez regulado el timer y conectando con él , contador y las compuertas lógicas NAND
pues la salida se le va a acoplar la etapa de potencia que consiste en la activación de los relé los cuales funcionan como un interruptor con la ayuda del transistor (BC547-NPN) para la activación de los focos de 25watt-220v AC. Los relé van a ir conectados al colector del transistor con una fuente de 12v el cual nos va ayudar a excitar la bobina del relé y así activar el relé para el prendido de los focos. La resistencia va conectada a la base del transistor ya que el voltaje de salida de la compuerta es (5vcc) y el colector va ir conectado con el relé para el funcionamiento del prendido y apagado de los focos 25watt-220v AC.
La salida digital va ir conectado a la resistencia y como el timer con el contador ya están configurados para cada ciclo es decir cada tiempo de que va ha durar el prendido y apagado de cada foco. Cuando se mande la señal o pulso entonces el foco se va activar y desactivar de la misma forma va ha pasar con los seis focos. Los focos van conectados en serie con los relés y a la fuente de corriente alterna pues esta fuente de alterna es de 220v-AC. También
hemos agregado los led s para darnos cuenta de que el circuito ( parte digital)
esté funcionando correctamente. Y así tener seguridad de que las conexiones lógicas es decir las compuertas, timer y contador funcionen según lo simulado y de paso trabajar con una corriente baja y no tener que estar probando el circuito con los 220v. De acuerdo a la simulación y a los diagramas nos hemos orientado como diseñar el circuito digital que en si trata de un semáforo doble vía con etapa de potencia.
ENTRDAS DE VOLTAJE MEDIDAS EN CIRCUITO DIGITAL Y ETAPA DE POTENCIA.
ENTRADAS
VOLTAJE
TIMER
5V-CC
COMPUERTAS LOGICAS
5V-CC
RELE
12V-CC
FOC OS
220V AC
DIAGRAMA LOGICO y
TABLA DE VERDAD SALIDAS
VARIABLES SEMAFORO 1
SEMAFORO 2
A
B
C
VERDE
AMARI
ROJO
VERDE
AMARI
ROJO
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
DESARROLLO POR METODO DE CARNOT
_ C _ C _ _ __
_ _ A.B
_ AB
AB
_ AB
1
0
0
0
1
0
0
0
_ _ A.B
_ AB
AB
_ AB
0
0
0
0
0
1
0
0
V1= AC+ AB
_ C _ C
_ A1= A.B.C
_ C _ C
_ _ A.B
_ AB
AB
_ AB
0
0
1
1
0
0
1
1
_ _ A.B
_ AB
AB
_ AB
0
0
1
1
0
0
0
1
_ _ A.B
_ AB
AB
_ AB
0
0
0
0
0
1
0
0
_ _ A.B
_ AB
AB
_ AB
1
1
0
0
1
1
0
0
R1=A
_ C _ C
_ _ V2= CA +AB
_ C _ C
A2= ABC
_ C _ C _ R2= A
y
DIAGRAMA LÓGICO DE COMPUERTAS:
CONVERSIÓN A TODAS LAS COMPUERTAS A N-AND PARA USAR EL INTEGRADO 74LS00 DE 4 COMPUERTAS N-AND.
SIMULACION EN PROTEUS
SIMULACION EN 3D
DISEÑO DE LA PISTA EN ARES-PROTEUS
PISTA EN 3D
OBSERVACIONES
y
La placa se pudo hacer en una baquelita de doble cara para evitar los puentes y se vea mejor presentable y no las conexiones con alambre las cuales vendrían hacer los puentes.
y
En el diseño de la pista podemos observar que las líneas rojas son los puentes hechos los cuales en lo físico vienen hacer las conexiones que están con alambres.
y
Se
hiso el cambio del transistor 2N5551 por el BC547. Ya que no se activaba el relé.
y
Se
remplazaron las resistencias por led`s para ver el funcionamiento lógico y así no
trabajar con los focos de 220v. y
La pista echa se pudo haber hecho en dos placas , una para la parte digita y otra para la etapa de potencia que vendría hacer los focos de 25watt-220v.
CONCLUSIONES
y
La configuración del timer se hiso de acuerdo al data ship y aplicando la formula con la cual encontramos en su hoja técnica.
y
Las conexiones se hicieron primero en Protoboar para comprobar que las conexiones del circuito digital estén correctas, de acuerdo al diagrama de la simulación echa en proteus-vs.7.8.
y
Se
hicieron uso de las compuertas N-AND según nuestros diagramas de compuertas.
y
Se
agregaron algunos puentes demás debido alguna falla implícita en el diseño de la
pista. y
Los componentes se han usado guiándonos por su hoja de datos de cada componente, por la experiencia personal de cada uno de los integrantes.
y
Se
agregó una fuente de 220v para el encendido de los focos con ayuda de los relés.
y
Tener
un poco de cuidado a la hora te conexión de los focos ya que es la etapa de
potencia y podríamos quedar electrocutados por estar trabajando con corriente alterna. y
Los aprendizajes de los primeros capítulos del curso Circuitos digitales, han sido aplicados en su totalidad.
y
La lógica booleana funciona correctamente, usada en los integrados 74ls00 que internamente es compuesto de compuertas N-AND.
y
El semáforo quedo terminado en su totalidad encendiendo correctamente la secuencia de luces y ha quedado configurado para ser usado en cualquier cruce de doble vía de transito.