SEMAFÓROS INTELIGENTES DE TEMPO REAL USANDO TRANSDUTORES INDUTIVOS | Capece, Manhiça

SEMAFÓROS INTELIGENTES DE TEMPO REAL USANDO TRANSDUTORES INDUTIVOS | Capece, Manhiça

Índice I. Introdução ....................................................................................................................................... 2

II. Objetivos Específicos....................................................................................................................... 2

III. Fundamento teórico ................................................................................................................... 3

1. Semáforos ................................................................................................................................... 3

2. Lógica da atuação de um semáforo tradicional ou de tempo fixo ............................................. 3

3. Logica de um sistema de semáforos atuados pelo tráfego ........................................................ 3

Semáforos Inteligentes de tempo real usando transdutores indutivos ............................................. 4

Diagrama de blocos do sistema ...................................................................................................... 5

Sensor indutivo ............................................................................................................................... 5

Contador ......................................................................................................................................... 6

Somador .......................................................................................................................................... 6

Micro controldor ............................................................................................................................. 7

Indicação luminosa ......................................................................................................................... 7

Montagem do circuito .................................................................................................................... 9

Tabela de preços ........................................................................................................................... 10

IV. Conclusão .................................................................................................................................. 11

V. Referências Bibliográficas ............................................................................................................. 12


I. Introdução

E da natureza do homem a busca de soluções para os problemas que cercam nosso dia- a-dia, bem como

a optimização a processos que são realizados de forma repetitiva. Pode-se apontar inúmeros problemas

que surgiram desde que o homem passou a criar processos para a interagir com a natureza, produzindo

trabalho e riqueza. Com a evolução do trabalho e da produção, a humanidade passou a encontrar novos

problemas decorrentes desta evolução. A criação de cidades e de novas tecnologias de transportes

acarretam muitos problemas específicos, como poluição, logística, excesso de veículos e

consequentemente congestionamentos. Atualmente os congestionamentos propiciam um dos maiores e

preocupantes problemas enfrentados pelas grandes cidades, trazendo grandes prejuízos em

consequência de atrasos e tempo improdutivo para deslocamento entre espaços relativamente pequenos

nestas grandes cidades. Hoje existem semáforos novos, faixas exclusivas em alguns horários, vias que

passaram a ter sentido único. Mas nada mais parece dar resultado no trânsito de grandes cidades. O

motivo mais simples é visível nas ruas. Em todos os cantos da cidade os engarrafamentos se tornaram

companheiros diários dos motoristas. Esse trabalho foi elaborado pensando exatamente nesse trânsito

caótico de grandes cidades, que causam um prejuízo enorme à população, seja pela queima

desnecessária de combustível enquanto o veículo está parado no trânsito, seja pela quantidade de horas

que o motorista perde imobilizado, tempo este que poderia ser utilizado para seu desenvolvimento

profissional. Boa parte do tempo que os veículos ficam parados no trânsito se deve a semáforos mal

regulados, que obrigam o motorista a aguardar a abertura do sinal enquanto a via transversal apresenta

pouco ou nenhum fluxo de veículos. Muitos motoristas só conseguem atravessar o sinal depois que este

abre três ou até mais vezes numa via de grande movimento. A proposta então é desenvolver um

semáforo que atue de acordo com as condições de tráfego no cruzamento, analisando, através de

transdutores indutivos, se numa das vias existir alta demanda de veículos querendo passar e na outra a

demanda for pouca, permitindo então um maior tempo de sinal aberto na via de alta demanda, reduzindo

assim o tempo de espera.

II. Objetivos Específicos

A partir de blocos de transdutores indutivos gerar pulsos para contadores;

Da contagem somar se em somadores para se economizar pinos do micro controlador;

Do micro controlador, gerar tempo de verde consoante o número real de veículos por via; e

Usar indicadores luminosos para demonstração de sinalização de transito.


III. Fundamento teórico

1. Semáforos

Semáforos é um sistema de controle de trafego de forma eficiente em entroncamentos de vias de

trânsito. São dispositivos de controle de tráfego que através de indicações luminosas altera o direito de

passagem entre veículos e pedestres. O objetivo é ORDENAR o tráfego, não devem, entretanto serem

utilizados indevidamente, a implantação de um semáforo é uma decisão que acarreta impactos

consideráveis, que podem vir a ser tanto positivos como negativos. Este quando implantado de forma

correta é um ótimo controlador de trafego, pois ele possui a característica de intervir no direito de

passagem para os diferentes movimentos de veículos, organizando o trânsito nas interseções,

diminuindo conflitos, aumentando a capacidade de escoamento e reduzindo a frequência de acidentes.

Este encontra uma larga aplicação em grandes centros urbanos, quais estão ficando cada vez mais

difíceis de trafegar devido à taxa de crescimento de veículos nas cidades (principalmente cidades

capitais) que trafegam o sistema diariamente.

Com o crescimento da taxa de crescimento de veículos que trafegam um entroncamento diariamente o

sistema de semáforos tradicionais, que é de tempos fixos tem se mostrado ineficiente para a objetivo

principal que o controle e evacuação rápida do entroncamento, com isso surge a necessidade de

desenvolver se um sistema de semáforos mais inteligentes que este tradicional que opere em tempos

reais de forma assíncrona. Vide a diferença entre os dois sistemas.

2. Lógica da atuação de um semáforo tradicional ou de tempo fixo

Semáforos de tempo fixo são aqueles cujo tempo de cada ciclo e constante, assim como a duração e os

instantes de mudança dos estágios. Isso significa que independentemente do volume de tráfego passante

os tempos de verde e vermelho serão sempre os mesmos e sua duração é calculada em função do volume

de tráfego médio na intersecção. O tempo de ciclo, duração e mudança dos estágios constituem um

conjunto de parâmetros denominados de planos de tráfego. Alguns controladores permitem armazenar

vários planos de tráfegos que podem ser ativados dependendo da hora e do dia. Norteia-se no conceito

de interromper o menos possível uma via principal, dependendo da demanda na via secundária ou de

pedestres, gerando melhores condições operacionais na via de maior fluxo, principalmente em relação

ao atraso.

3. Logica de um sistema de semáforos atuados pelo tráfego

Enquanto que os semáforos por demanda de tráfego são tipos de controladores mais complexo que o de

tempo fixo por possuir sensores de detecção de veículos e uma lógica de decisão. A finalidade deste

tipo de controlador é fornecer um tempo de verde a cada corrente de tráfego de acordo com a

necessidade atual, sempre se ajustando dinamicamente com as alterações no volume passante na

intersecção. Seu funcionamento baseia-se em variar o tempo de verde associado a um determinado

estágio, entre um valor mínimo e um valor máximo. Se em um determinado período todas as correntes

de tráfego atingirem a saturação, os tempos de verde serão alterados para o valor máximo, e o

controlador de tráfego se comportará como sendo do tipo tempo fixo.

Para a realização dessa ideia usaremos os transdutores (sensores) indutivos para a detecção de veículos,

que são dispositivos usados para a detecção de proximidade de objetos metálicos, sem contato com


estes. A presença de um objeto metálico gera uma alteração no campo magnético do transdutor, que é

convertido em sinal eléctrico, e tem como principais vantagens da utilização os seguintes:

Grande durabilidade – Por não necessitar de contatos mecânicos para a detecção;

Excelente precisão e garantia da supervisão;

Altas frequências de comutação até 3000Hz;

Com indicação através de Led;

Insensível a trepidações;

Totalmente lacrado podendo ser utilizado em ambientes agressivos;

Versatilidade de formatos e formas de fixação;

Facilidade de interface com os principais PLC’s (Programmable logic controller).

Figura 1. Sensor indutivo e área a ser instalada

Para além dos sensores indutivos usaremos os contadores digitais, somadores digitais, micro

controlador e luzes de semáforos, que aparentamos abaixo.

Semáforos Inteligentes de tempo real usando transdutores indutivos

A ideia desse sistema baseia se no uso de blocos com transdutores indutivos que serão instalados no

solo em cada via de trânsito de veículos automóveis situados a uma distância menor ou igual a 50m,

que irão detectar veículos automóveis devido a variação do campo magnético por esses serrem

essencialmente constituídos de metal na sua parte externa, estes por sua vez estarão acoplados

diretamente a blocos de contadores (no caso usaremos um contador 7493N, mas em uma situação mais

pratica seria ideal usar blocos de contadores de década por transdutor), serão responsável pela contagem

de veículos até 15 por cada sob pulsos gerados por um temporizador (Timer1 que é sob os pulsos gerados

do transdutor). Seria suficiente partir desta fase para o micro controlador mas para economizar os pinos

do micro controlador somamos o número de veículos da via (das duas faixas), tirando assim para o

micro controlador que será responsável de decisão do sistema em que se aproveitar também um pulso

no fim de cada ciclo para resetar os contadores por via. O micro controlador será instalado na caixa de

semáforos exatamente no entroncamento onde se pretende controlar o fluxo de transito para que haja

maior escoamento, maior segurança, e menor tempo de espera. O micro controlador terá como função

principal de decidir o tempo de verde de acordo com as comparações que ele irá fazer entre as

informações recebidas de cada via.


Diagrama de blocos do sistema

Figura 2. Diagrama

Na figura acima tem se um diagrama de blocos do sistema, em que na entrada temos variação de campo

magnético o que vai fazer com que haja uma variação de tensão isso fazendo com que a entrada do

transdutor seja uma variação de tensão que vai ser lido como sendo a passagem de um carro, essa

informação será passada para o contador que ira contar um determinado numero de carros e voltará para

zero (reset) a informação desse contador com o contador que esta ligado ao transdutor que esta situado

na mesma via é somado no somador que passa para o microcontrolador que vai decidir o tempo de verde

de acordo com o numero da informação recebida entre os dois blocos de somador instalados que estão

localizados em ruas diferentes e vai mandar essa informação para o semáforo (comando de luz).

Sensor indutivo

Detecta a presença de veículo, mandando pulsos para o bloco de contadores, como dispositivos usados

para a detecção de proximidade de objetos metálicos, sem contato com os mesmos, a presença de um

veículo, como é sabido que é constituído essencialmente de metal, vai gerar uma alteração no campo

do transdutor, que será convertido em sinal elétrico e será como um clock positivo para um contador.

Figura 3. Sensor

A escolha deste transdutor deveu se as suas grandes vantagens que ele leva em relação aos outros que

podiam se aplicar neste proposito, quais vantagens acima mencionadas.

Transdutor

indutivo

Contador Somador Contador Transdutor

Micro controlador

Semáforos


Contador

Conta o número de veículos, que passam pela via, no caso vamos usar contadores de até 15 bits (15

veículos). Será construído a partir de 4 biestáveis J-K assíncrono, que podem ser encapsulados em

circuitos integrados CI 7493, e transmitirão a informação ao somador. Assim o contador terá o dever

de zerar a contagem sempre a cada ciclo estipulado por micro controlador.

Figura 4. Contador de modulo 16

Estes são encapsulados em um chipset, e usaremos pulsos positivos recuperados no instante em que o

micro controlador busca a informação em somador para ativar os resets (clears) do contador, assim

zerando a contagem.

Figura 5. CI7493N

Somador

É um circuito operativo construído a partir de portas logicas fundamentais, no caso como pretende se

somar 15+15, a saída no máximo é 30 que é representado com mínimo de 5 bits, então acoplaremos a

saída ao micro controlador em 5 pinos

U2

JK_FF

J Q

~QK

RESET

CLK

SET

U3

JK_FF

J Q

~QK

RESET

CLK

SET

U4

JK_FF

J Q

~QK

RESET

CLK

SET

U5

JK_FF

J Q

~QK

RESET

CLK

SET

0

U6

Key = D

0

U7

Key = C

1

U8

Key = B

1

U9

Key = A

U1

7493N

QA12

QB9

QD11

QC8

INB1

R012

R023

INA14


Figura 6. Somador CI

Micro controlador

O micro controlador será responsável pelo cálculo e decisão do tempo de verde de cada via. Para tal ele

deve ser programado para um sistema operacional que será executado pelo sistema. No caso especifico

usaremos um micro controlador em uma placa arduino em jeito de simulação, em vez de um PIC.

Figura 7. Placa de arduino

No micro controlador é onde será instalado o sistema principal do projeto, este deverá ser escrito

software de desenvolvimento, sob uma linguagem de programação. Deste forma sequencial chega se

ao programa a partir do fluxograma que se segue

Indicação luminosa

Conjunto de luzes de cores estabelecidos, vermelho, amarelo e verde, cujas as cores têm significados

para código de estrada.


Figura 8. Luzes de semáforos

Acoplando todos blocos para o mesmo circuito final de semáforos inteligentes de tempo real usando

sensores indutivos, tem se um diagrama idêntico.

Figura 9. Circuito do sistema representado em diagrama de blocos

U1

TRAFFIC_LIGHT_SINGLE

Transdu

tor Contador

Somado

r

Micro

control

ador

Contador Transdutor

Transdutor Contador

Somad

or

Contador Transdutor


Figura 10. Circuito do sistema

Montagem do circuito

De forma a obter um protótipo do sistema de semáforos inteligentes de tempo real usando transdutores

indutivos, usamos uma protoboard, dois contadores HCF 4017, 12 LEDs de cores estabelecidos em

transito para esse propósito, uma placa arduino (programado), e dois potenciômetros para simular os

sensores indutivos, na falta dos sensores.

Figura 11. Prototipo do sistema

U1

7493N

QA12

QB9

QD11

QC8

INB1

R012

R023

INA14

U10

7483N

A28

B27

A110

C013

B111

S415

S32

C414

A41

B416

A33

B34

S26

S19

U11

7483N

A28

B27

A110

C013

B111

S415

S32

C414

A41

B416

A33

B34

S26

S19

U12

7493N

QA12

QB9

QD11

QC8

INB1

R012

R023

INA14

U13

7493N

QA12

QB9

QD11

QC8

INB1

R012

R023

INA14

U14

7493N

QA12

QB9

QD11

QC8

INB1

R012

R023

INA14

U15

PIC16C58B

VSS5

RB06

RB17

RB28

RB39

RB410

RB511

RB612

RB713

VDD14

RA017

RA118

RA21

RA32

TOCK13

~MCLR/Vpp4

OSC1/CLKIN16

OSC2/CLKOUT15

U16


U17


L1

1mL2

700µH

R1

10kΩ

L3

700µH

D1

1N4007

C1

1µF

R2

1kΩ

VCC

12V

U2

3554SM

6

5

7

2

1

L4

700µH

R3

10kΩ

L5

700µH

D2

1N4007

C2

1µF

R4

1kΩ

VCC

12V

U3

3554SM

6

5

7

2

1

L6

700µH

R5

10kΩ

L7

700µH

D3

1N4007

C3

1µF

R6

1kΩ

VCC

12V

U4

3554SM

6

5

7

2

1

L8

700µH

R7

10kΩ

L9

700µH

D4

1N4007

C4

1µF

R8

1kΩ

VCC

12V

U5

3554SM

6

5

7

2

1


Tabela de preços

Material Quantidade Preço (USD)

Contador 4017 2 $ 1.8

LED 12 $ 2

Placa arduino 1 $ 4

Potenciômetro 2 $ 1.4

Total 17 $ 9.2


IV. Conclusão

Este trabalho apresentou uma nova abordagem de controlo inteligente de sinais de trânsito

baseada em transdutores indutivos. Os experimentos realizados utilizando o simulador

demonstram que o modelo proposto consegue obter melhores resultados em relação aos

semáforos de tempos fixos nas simulações. Esta alternativa se mostra viável, uma vez que se

sua implantação não gera tantos transtornos à sociedade quanto à criação de novas vias para

solucionar um problema que às vezes pode estar atrelado a problemas de organização e não

estruturais. A desvantagem para a implementação deste sistema deve se ao custo não muito

baixo de aquisição de transdutores indutivos e talvez ao sistema de comunicação do sistema,

dado que por motivos de segurança é melhor serem instalados no sob solo.


V. Referências Bibliográficas

Eng◦ Luís C. Massango, Transdutores Elétricos de Posição, ficha 3, aula teórica, 3⁰ ano, DEEL-

2016;

TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal s., Sistemas digitais princípios e aplicações, 8ª edição

WERNECK, Marcelo Martins; Transdutores e interfaces, livros técnicos e científica editora

DUNN, William C., fundamentos de instrumentação industrial e controle de processos;

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