UNIVERSIDAD “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA.ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA

ELECTRÓNICA.

Diseño de un Controlador de Luces de un Semáforo

El Semáforo

Esta presentación es una introducción al curso los circuitos digitales. Conoceremos un poco sobre el proceso de diseño digital a través de un ejemplo de diseño. En esta oportunidad veremos cómo se especifica, diseña y simula un controlador de luces de un semáforo.

INTRODUCCION Y EXPLICACION

Un bit es un tipo de número que puede tener sólo 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 PeriodoN-S / E-

ORojo 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

Cuando un bit está en 1 quiere decir que la luz de ese faro debe encenderse en el periodo correspondiente, y cuando el bit esté en 0 la luz del faro deberá apagarse

Sentido Norte Sur Sentido Este Oeste Periodo

Rojo Ambar Verde Rojo Ambar Verde  

1 0 0 0 0 1 T11 0 0 0 1 0 T20 0 1 1 0 0 T30 1 0 1 0 0 T4

Cada faro puede tener su luz encendida (ON) o apagada (OFF). Cuando u faro esté encendido vamos a representar ese estado con 1 (ON), y cuando esté apagado con un 0 (OFF).

 Apagado = OFF = 0

 Encendido = ON = 1

 

Organización de bitsAhora observa que: RojoNS es 1 cuando el periodo es T1 o T2 y es 0 en los periodos T3 y T4. AmbarNS es 1cuando el periodo es T4, y es 0 en el resto de periodos. VerdeNS es 1 cuando el periodo es T3, y es 0 en el resto de periodos. RojoEO es 1 cuando el periodo es T3 o T4, y es 0 en los periodos T1 y

T2. AmbarEO es 1 cuando el periodo es T2, y es 0 en el resto de periodos. VerdeEO es 1 cuando el periodo es T1, y es 0 en el resto de periodos.Debido a que los bits solamente pueden tener dos estados, basta con escribir estas relaciones del siguiente modo: RojoNS es 1 cuando el periodo es T1 o T2. AmbarNS es 1 cuando el periodo es T4. VerdeNS es 1 cuando el periodo es T3. RojoEO es 1 cuando el periodo es T3 o T4. AmbarEO es 1 cuando el periodo es T2. VerdeEO es 1 cuando el periodo es T1.

Funciones LógicasAND OR NOT

Función Y Función O Función NOProducto Suma Complemento.(punto) +(más) '(apóstrofe)

-(raya superior)

Podemos entender mejor cómo trabaja la función AND y OR observando las siguientes figuras. Nota que un led rojo indica encendido y uno blanco indica apagado. Presta atención a la posición de los estados; en el caso del NOT, solo va a negar un estado lógico. Si es 1 cambia a 0 y viceversa.

Funciones Lógicas Existe una manera formal para indicar estas relaciones si usamos las siguientes

convenciones. Si para que ocurra el evento F es necesario que simultáneamente el evento A y el

evento B ocurran, entonces decimos que F = A AND B. 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 también ocurre F.

Si para que ocurra el evento F es necesario que no ocurra el evento A, entonces decimos que F = NOT A.

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

Cuadro Organizador Esta tabla nos va a permitir hallar una relación entre los estados del semáforo, los periodos de

tempo, las entradas y salidas para el circuito lógico. Los bits de la cuenta binaria lo vamos a representar con q₃, q₂, q₁ y q₀. El bit q₃ es el más

significativo, ubicado más a la izquierda del número. El bit q₀ es el menos significativo, ubicado más a la derecha del número. Estos bits van a cambiar automáticamente cada segundo, es decir, cada cuenta va a permanecer activa por un segundo y luego el contador hará que la cuenta se incremente. Cuando la cuenta sea 15 la cuenta siguiente será 0 y el ciclo se repetirá.

A continuación 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.

Periodos de Tiempo

Rango de Cuenta

Indicadores Leds

Cuenta Binaria q₃, q₂, q₁, q₀

Cuenta Decimal

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

En la tabla siguiente juntamos todo, la cuenta binaria en cada periodo y las luces de salida:

Tabla comparativa

Cuenta Decimal

Cuenta Binaria

q₃q₂q₁q₀

Periodo

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 0 9 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

Reduciendo datos Podemos cambiarla por la relación más precisa: RojoNS = NOT q₃ Mira lo que pasa con VerdeEO. Presta atención solamente a la combinación de bits de la

cuenta binaria que hace que VerdeEO sea 1. ¿Puedes hallar una relación? Para que VerdeEO sea 1 q₃ debe ser 0 pero además los bits restantes no pueden ser 1 al

mismo tiempo. En cualquier otra situación VerdeEO es 0. Es decir, VerdeEO se enciende cuando q₃ no se enciende y además q₂, q₁ y q₀ tampoco se encienden al mismo tiempo. Eso podemos representarlo así:

VerdeEO = ( NOT q₃ ) AND ( NOT ( q₂ AND q₁ AND q₀ ) )

De manera similar, intenta deducir lo siguiente:  RojoEO = q₃ AmbarEO = ( NOT q₃ ) AND ( q₂ AND q₁ AND q₀ ) VerdeNS = ( q₃ ) AND ( NOT ( q₂ AND q₁ AND q₀ ) AmbarNS = ( q₃ ) AND ( q₂ AND q₁ AND q₀ )

Notarás que la expresión q₂ AND q₁ AND q₀ se repite en cuatro casos. Siendo así, resulta conveniente asignar esta expresión a una función X, con lo cual tenemos:

RojoNS = NOT q₃ RojoEO = q₃ X = q₂ AND q₁ AND q₀ VerdeEO = ( NOT q₃ ) AND ( NOT X ) AmbarEO = ( NOT q₃ ) AND ( X ) VerdeNS = ( q₃ ) AND ( NOT X ) AmbarNS = ( q₃ ) AND ( X )

Materiales utilizados Protoboard. 1 Circuito Integrado 74LS191. 2 Circuitos Integrados

74LS08. 1 Circuito Integrado 74LS04. 2 Leds rojos. 2 Leds amarillos. 2 Leds verdes. 1 Circuito Integrado LM555. 6 Resistencias de 330Ω. 1 Resistencia de 1k. 1 Potenciómetro de 10k. 1 Capacitor de 100 Uf.

DIAGRAMAS Y ESQUEMAS

A partir de estas expresiones podemos hallar los circuitos lógicos:

1 2

NOT

74LS04

1

23

AND

74LS08

1

23

AND

74LS08

1 2

NOT

74LS04

1

23

AND

74LS08

1

23

AND

74LS08

1

23

AND

74LS08

1

23

AND

74LS08

1Q0

CONN-SIL1

1Q1

CONN-SIL1

1Q2

CONN-SIL1

1Q3

CONN-SIL1

X NOT X

NOT Q3

VerdeEO

AmbarEO

VerdeEO

AmbarNS

RojoNS

RojoEO

Circuitos Integrados Para construir este circuito lógico se necesitan circuitos integrados que

realicen tales funciones lógicas. 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 batería o alimentación 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 función 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 batería y el pin GND con el terminal negativo. En los demás chips debe hacerse lo mismo.

EL OSCILADOR 555 El circuito integrado LM555, es un temporizador, también llamado

timer, es un circuito que se comporta como un oscilador, es decir, va a arrojar señales secuenciales y alternas entre los valores 0 y 1, las cuales nosotros recibiremos como unas pulsaciones para poder garantizar el correcto funcionamiento. 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

DC 7

Q 3GN

D1

VCC

8

TR2 TH 6

CV5

U1

NE555

R11k

R2330R

C1100u

RV1

10K

D1LED-YELLOW

1J1

CONN-SIL1

1J2

CONN-SIL1

Conexiones de los pines Ahora veremos cómo ubicar las funciones lógicas en los circuitos integrados. Se puede elegir

cualquier puerta lógica en el 74LS08 y 74LS04 para las ANDs y NOTs respectivamente. Para este diseño 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 q₃, q₂, q₁ y q₀ 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 sólo sirve como una guía.

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 ayudó a despejar posibles errores de conexiones y así evitar que al construirlo físicamente se nos queme algún componente debido a una mala conexión.

GRACIAS…!!!