UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CHIAPAS Carrera:
INGENIERÍA MECATRÓNICA Grado/Grupo
6: “C” Materia:
AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Maestro:
JOSÉ LUIS LOPEZ MORENO Título:
“Reporte de semáforo digital” Alumno:
Miguel Ángel Pereyra Coutiño Matricula:
123319 10/05/14
Introducción: En este reporte se explica la manera de diseñar un circuito eléctrico para controlar los tiempos de encendido y apagado de las luces de un semáforo. Se presenta la manera digital y la manera controlada por programación, que en este reporte es utilizando Arduino. Pueden consultarse los anexos contenidos en este reporte para la configuración de pines de los circuitos integrados utilizados para la realización de esta práctica. La construcción del semáforo casero es uno de los proyectos más atractivos para novatos en la electrónica. Este reporte muestra una de las muchas maneras en las que este logro se puede cometer. Inclusive si uno desea usar programación. El nivel de habilidad en electrónica para el que está hecho este reporte, debe ser básico. Y el usuario debe tener conocimientos mínimos sobre la programación en Arduino.
Marco teórico Resistencias: Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico. En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule. Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la corriente. La corriente máxima y diferencia de potencial máxima en un resistor viene condicionada por la máxima potencia que pueda disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
Imagen 1. Resistencias
LEDs: El LED (Light-Emitting Diode: Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Este dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo. Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED y evitar que este se pueda dañar; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía
según su aplicación. Los Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED están comprendidos entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LED. Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. Para la protección del LED en caso haya picos inesperados que puedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en sentido opuesto un diodo de silicio común
Imagen 2. Leds rojo, verde y azul
Protoboard: Una placa de pruebas (en inglés: protoboard o breadboard) es un tablero con orificios conectados eléctricamente entre sí, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares. Está hecho de dos materiales, un aislante, generalmente un plástico, y un conductor que conecta los diversos orificios entre sí. Uno de sus usos principales es la creación y comprobación de prototipos de circuitos electrónicos antes de llegar a la impresión mecánica del circuito en sistemas de producción comercial.
Imagen 3. Protoboard con un circuito de LED simple
CD4017: Es un circuito integrado CMOS que provee una salida con valor alto diferente con cada pulso de la señal de reloj que en este caso es producida por un temporizador con circuito integrado.
Imagen 4. CD4017
LM555: El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en una variedad de temporizador y se aplica en la generación de pulsos y de oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Sus derivados proporcionan hasta cuatro circuitos de sincronización en un solo paquete. Introducido en 1971 por Signetics, el 555 sigue siendo de uso generalizado debido a su facilidad de uso, precio bajo y la estabilidad. Lo fabrican muchas empresas en bipolares y también en CMOS de baja potencia. A partir de 2003, se estimaba que un billón de unidades se fabricaban cada año.
Imagen 5. LM555
Diodo: es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.
Imagen 6. Diodo
Capacitor: Es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una
determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.
Imagen 7. Capacitor electrolítico
Arduino: es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida.4 Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado en la placa.
Imagen 8. Plataforma Arduino UNO
Material y equipo -
3 resistencias de 1 kΩ ($0.50 cada una) 1 resistencia de 10 kΩ ($0.50 cada una)
1 capacitor electrolítico de 470 uF ($7.00) 7 diodos ($1.20 cada un0) 1 Protoboard ($75.00) Cable para Protoboard ($20.00) 1 plataforma Arduino UNO ($380.00) 1 LED rojo ($1.50) 1 LED amarillo ($1.50) 1 LED verde ($1.50) LM555 ($11.00) CD4017 ($15.50) Una computadora
Costo total: $523.40
Desarrollo Construcción del semáforo casero.
Para hacer el semáforo utilicé un porta globos. Saco provecho de su tubo de plástico y de la base que se usa para sujetar los globos como la base del poste que detendrá a la caja del semáforo.
Imagen 9. Porta globos.
La caja primaria del semáforo está hecha de hoja opalina. Esta proporciona la suficiente rigidez para estar estable y es suficientemente blanda como para ser manipulada con facilidad.
Imagen 10. Papel opalina.
Lo primero que se debe de hacer, es crear cierto número de pulsos que varíen de 5V a 0V, para esto utilizamos el LM555. (Para ver la configuración de pines del LM555, revisar el anexo A).
Imagen 11. Diagrama para configuración Astable del L M555
Para cambiar el tiempo que el pulso se mantiene en 5V (t1), usamos la fórmula:
Y para cambiar el tiempo que el pulso se mantiene bajo, usamos:
Yo propuse un capacitor C de 470uF, y establecí un tiempo t2 de 1 segundo, por lo tanto, si despejamos la ecuación, nos queda que la resistencia 2 debe ser de 3,070Ω. Usé el valor más cercano comercial. Ya teniendo establecida la resistencia 2, establecí la resistencia 1. Como los dos tiempo no pueden ser exactamente el mismo, establecí el segundo tiempo de 1.01 segundos, de este modo, encuentro que la resistencia 2 tiene que ser de aproximadamente 30Ω.
Si seguimos la conexión del diagrama siguiente, obtenemos que el contador de décadas (CD4017) tiene múltiples salidas, pero nosotros sólo necesitamos 3. Por lo tanto, conectamos 3 salidas al semáforo verde, que sería igual a que la luz verde tarde encendida 3 tiempos. Una salida al led
amarillo, sólo tardará un tiempo, y 3 salidas más al led rojo. De esta forma, no importa cada qué tanto tiempo el LM555 nos dé un pulso, las luces roja y verde tardarán 3 veces más que la amarilla. La última salida, no utilizada en leds, del CD4017 será conectada al pin de reset del circuito integrado. Para que cada vez que llegue a la octava salida, este reinicie su ciclo.
Imagen 12. Conexión para el semáforo
El pin número 16 es naturalmente la alimentación del circuito, el 8 es la Tierra que debe conectarse al integrado, por lo tanto la mandamos a Tierra. El pin número 13 la conectamos a Tierra porque es el bit de control del reloj, si esta está en un pulso alto, el circuito ignora por completo los cambios de reloj de su entrada clk. Para más detalles de los pines del CD4017, checar el anexo B Programación en Arduino: Para la programación en Arduino, utilicé el software gratuito http://arduino.cc/es/main/software, versión 1.5.6. Cuya interface luce así:
de
la
página
Imagen 13. Interface Arduino
Para la instrucción de encender, escribimos digitalWrite(x,y), donde x representa el pin a mandar el voltaje y Y representa si se pondrá en 0 o en 1. Para estableces los pines digitales de la plataforma Arduino como entradas o salidas, usamos pinMode(x,y), donde x es un número entero para seleccionar al pin, y Y puede ser Output o Input.
El código queda de esta manera: Void steup() { pinMode(2, output); pinMode(3, output); pinMode(4, output); } Void loop() { digitalWrite(2,1); pause(1000); digitalWrite(2,1); pause(400); digitalWrite(2,0); pause(400); digitalWrite(2,1); pause(400); digitalWrite(2,0); pause(400); digitalWrite(2,1); pause(400); digitalWrite(2,0); pause(400); digitalWrite(3,1); pause(1000); digitalWrite(3,0); digitalWrite(4,1); pause(2000); }
Resultados:
Imagen 14. Circuito final del diseño digital del semáforo.
Imagen 15. Semáforo finalizado y pintado.
Imagen 16. Cables salientes de los LEDs por la base del "poste".
Conclusiones: Los resultados que obtuve, fueron los esperados. Al realizar la actividad del semáforo sin programación busqué por todas partes configuraciones de flip-flops, pero finalmente, mis compañeros tuvieron mejores ideas que las mías y terminé usando el CD4017. Conecté los cables de los semáforos a varias fuentes de alimentación del 4017, lo que hizo diferentes tiempo para las luces del semáforo. Los diodos fueron una parte necesaria para todo el trabajo, son los que protegen al circuito de no recibir voltaje de si mismo y quemarse de esa manera. La parte de programación fue mucho más sencilla, ya que trabajé con Arduino, el lenguaje de Arduino me es muy sencillo y sólo era cuestión de mandar pulsos altos y bajos cada determinados tiempos. Incluso hacer la luz verde parpadear resultó sencillo.
Bibliografía: Wolfgang Müller, “Electrotécnia de potencia: Curso superior” , Reverte Banzi, Massimo, “Getting Started with Arduino”, Make:books José L. Martin Gonzales, “Electrónica digital”, Delta Publicaciones
Anexos:
Imagen 17. Anexo A
Imagen 18. Anexo B