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Semáforo
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I. Metodología.
La elaboración del proyecto se desarrollara de manera secuencial y sistemático, estableciéndose bloques según el propósito de su función en el sistema.
Se usara ampliamente la teoría de sistemas digitales, el método de reducción de funciones por mapas de karnaugh, codificadores y decodificadores, mux y demux, con el fin de minimizar en su totalidad la elaboración del circuito.
Para el diseño del proyecto se opta por el software “PROTEUS 7.9” por su fácil y sencillo uso.
Para la implementación del circuito de control, existen dos grandes familias de circuitos integrados, entre estas se trabajara con la tecnología TTL por ser de fácil alcance, comodidad de uso, bajo costo, diseñadas para propósitos prácticos, frente a la tecnología CMOS, la cual está más orientada a implementaciones industriales.
II. Desarrollo del sistema.
El sistema se dividirá en tres partes, establecidas de acuerdo al funcionamiento que presentan:
1) Circuito temporizador
2) Circuito contador
3) Circuito de control de tráfico de carros
4) Circuito de control de tránsito de peatones
Circuito temporizador
Circuito de control de tráfico de carros
Circuito de control de tránsito de peatones
Display 7 segmentos
2 4
Circuito contador
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1) Circuito temporizador
El circuito temporizador es el encargado de la sincronización de los procesos, debemos establecer un circuito capaz de entregar al sistema un código entendible, para que este lo decodifique y lo procese.
La finalidad es sincronizar todo el sistema en segundos, la manera más usada es estableciendo una señal de entrada que varié con una frecuencia de 1 hz, por lo que se usara al circuito integrado 555, este puede funcionar como aestable produciendo una variación de 1s y 0s, la configuración adecuada para el funcionamiento con 1 hz de frecuencia se da en base a la siguiente ecuación:
Para la configuración a una señal de 1hz de frecuencia, usaremos un capacitor C1 de 1hz de frecuencia, R1 1kohm, y un R2 variable de 100k.
Para una frecuencia de 1 hz establecemos el siguiente arreglo:
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2) Circuito contador
El circuito contador se establece con la finalidad de establecer una secuencia de conteo, el conteo deberá ser capaz de controlar al circuito de tráfico y al de transito, el de trafico necesitara un conteo de 28 segundos y uno de 4 segundos, mientras que el de transito necesita un conteo regresivo de 31 a 0 para decodificar cada uno de estos números y pasarlos a visualizar en los displays.
Con estas especificaciones optamos por diseñar un contador de 5 bits, que contara de 0 a 32, el contador se implementara usando los la configuración de oscilamiento en el biestable j-k activado por flanco de bajada.
El contador además deberá de ser síncrono para eliminar la acumulación de tiempo de respuesta en los circuitos integrados j-k.
El circuito contador síncrono de 0-31 será el siguiente:
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Puesto que el circuito de tránsito de peatones requiere de un contador descendente de 32-0, se usaran las salidas q negadas de nuestro contador ascendente, superando este problema. El circuito contador descendente será el siguiente.
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3) Circuito de control de tráfico de carros
El circuito controlador de tráfico de carros deberá controlar los semáforos de tráfico, 2 semáforos uno para cada vía, deberá prender la luz verde para el semáforo 1, y al mismo tiempo la luz roja del sem2, luego de 28 segundos cambiara la luz verde por ámbar, mientras que el rojo permanece en rojo, 4 segundos después deberá de cambiar el ámbar por rojo, y el sem2 deberá de cambiar su luz roja por verde, 28 segundos después será el sem2 que cambiara a ámbar y 4 segundos después a rojo, para comenzar con el ciclo nuevamente.
El diagrama de estados para el funcionamiento del controlador de tráfico de carros será el siguiente:
Para el control del semáforo necesitaremos de 4 estados, para implementar estos estados, utilizaremos un contador de 2 bits, capaz de contar los 4 estados necesarios.
El contador de estados será implementado de la misma forma que el contador 0-31, con la excepción que este contara 0-3.
El contador deberá ser activado, primero luego de 28 segundos, el segundo cambio a los 4 segundos, el tercer cambio luego de 28 segundos y el último cambio a los 4 segundos para continuar con el ciclo.
Aprovechando la relación simétrica de los cambios de verde a ámbar, segundo 28 y a rojo segundo 32, para cualquier caso, usamos el contador 0-31 para decodificar en el estado 27 ósea a los 28 segundo, y en el estado 31, 4 segundos después del primer cambio, el estado 10 y 11 será controlados por un nuevo ciclo del contador 0-31.
1er estado 00 sem1 verde sem2 rojo
2do estado 01 sem 1 ambar
sem2 rojo
3er estado 10 sem1 rojo
sem2 verde
4to estado 11 sem1 rojo sem
2 ambar
Semáforo
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Por último se deberá establecer un circuito decodificador de los 4, para controlar a los 2 semáforos.
El diagrama de bloques para el controlador de trafico de carros será:
a) Decodificador de segundos.
El decodificador de segundos está diseñado para establecer un flanco de bajada que activará al contador para que este cambie de estado.
Tomando como base al circuito contador, se tiene que hacer el primer cambio de estado 28 segundos luego de iniciar el ciclo de trabajo, por lo que decodificaremos el estado 27 del circuito contador (28 segundos después de comenzar el conteo),
De igual manera, el siguiente cambio se debe realizar 4 segundos después del primero, por lo que se realizara en el estado 31 (4 segundos luego del primer cambio).
El tercer y cuarto cambio se realizan simétricamente, por lo que bastara con esperar el siguiente ciclo de contador para que se decodifique el tercer cambio al segundo 28 después de ocurrido el segundo, y el ultimo cambio luego de 4 segundos.
De esta manera establecemos la función lógica para nuestro decodificador, usando la tabla de verdad de la función, las entradas serán los 5 bits del contador de segundos, y como salidas tendremos la respuesta del decodificador de segundos:
Circuito temporizador
Circuito contador
Decodificador de segundos
Contador de estados 0-3
Decodificador de estados
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segundo e d c b a respuesta
25 1 1 0 0 1 0
26 1 1 0 1 0 0
27 1 1 0 1 1 1
28 1 1 1 0 0 0
29 1 1 1 0 1 0
30 1 1 1 1 0 0
31 1 1 1 1 1 1
De la tabla:
Res1 = abc”de (decodificador de 28 segundos)
Res2 = abcde (decodificador a los 4 segundos)
Finalmente la respuesta a nuestro sistema será:
Res = Res1 (Res2) = abde (c + c”)
Su implementación con circuitos integrados será:
b) Contador de estados
El decodificador de estados tiene como finalidad establecer los 4 estados que necesitara el semáforo para su funcionamiento.
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Este decodificador será un contador de 4 estados (2 bits), se implementa en base a biestables j-k, controlado por la salida del decodificador de estados, con una secuencia de cambio de 28 y 4 segundos.
c) Decodificador de estados
Tiene como finalidad establecer la relación de estados con la secuencia de luces.
Usaremos un demultiplexor 1 x 4 controlado por 2 bits, con la finalidad de establecer los 4 posibles estados, y basarnos en estos para la secuencia de luces.
Primer estado 00, en este estado deberá de estar prendido la luz verde del sem1 y la luz roja del sem2.
Segundo estado 01, con la luz ámbar para el sem1 y luz roja el sem2.
Tercer estado 10, sem1 con luz roja y sem2 con luz verde.
Cuarto estado 11, sem1 con luz roja y sem2 luz ámbar.
Su tabla de verdad:
estado S1 S2 S3 S4 Ver1 Am1 Ro1 Ver2 Am2 Ro2
Primer 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1
Segundo
0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
Tercer 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0
cuarto 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0
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De la tabla:
Verde1 = S1 Verde2 = S3
Ambar1 = S2 Ambar2 = S3
Rojo1 = S3 + S4 Rojo2 = S1 + S2
El demultiplexor tendrá como entrada un 1 lógico, para que apunte 1 a la salida que pidan los bits de control (estados).
El circuito implementado será:
4) Circuito de control de tránsito de peatones
Tiene como finalidad la de controlar el tránsito de peatones, por medio del semáforo de peatón y el visualizador de segundos.
Estudiaremos el diseño de este sistema dividiéndola en las dos partes que lo conforman.
a) Semáforo de peatón.
La conforman las luces de pase (verde) y pare (rojo), cada una con una duración de 32 segundos y sincronizadas con las luces de tráfico.
Circuito temporizador Circuito contador
Decodificador de segundosContador de estados 0-3Decodificador de estados
Decodificador de estados Semáforo
Semáforo
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Su diseño es más simple, puesto que solo posee dos estados, que estableceremos directamente del circuito de tráfico de peatones con un decodificador. El diagrama de bloques correspondiente será:
Aprovecharemos el circuito de estados de 0-3, necesitamos un cambio de 32 segundos, el cambio del bit 1 se realiza a los 28 y 4 segundos, mientras que el bit 2 cambiara cada una vuelta completa del bit uno, cada 32 segundos, por lo que las luces de pase y pare se implementaran directamente del bit 2 del contador de estados.
El circuito implementado ahora es:
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b) Visualizador de segundos.
Deberá demostrar el conteo regresivo de segundos que faltan para que cambien las luces del semáforo de peatón, el conteo será de 31 a 0.
Como debemos visualizar un número de dos dígitos necesitaremos de dos display de 7 segmentos, uno para las decenas y otro para las unidades, además las unidades varían 10 dígitos 0-9, por lo que tenemos que trabajar con el código BCD, igualmente las decenas varían, pero estas solo tomaran solo tomaran los valores 3, 2, 1 o 0.
El usar displays de 7 segmentos implica el uso de un decodificador de código binario BCD a código 7 segmentos.
Tomara como entrada las salidas negadas del contador de segundos, al usar las salidas negadas, como ya se explico, el contador da un conteo regresivo de segundos en código binario 31-0, de aquí la necesidad de un conversor binario a BCD.
Nuestro diagrama de bloques será:
Decodificador binario-BCD.
En tecnología TTL tenemos el circuito integrado 74185, que realiza la conversión de código binario natural de hasta 6 bits, para entregar su respectivo código BCD, en dos dígitos de 4 bits, uno para las decenas y otro para las unidades.
Para nuestro circuito conectaremos las salidas del contador de 5 bits a sus entradas, así tendremos cada segundo que pase el código en BCD de la cuenta regresiva, como salidas tendremos los dos números de 4 bits correspondientes para la representación de decenas D3, D2, D1, D0, y para las unidades U3, U2, U1, U0.
Circuito temporizador
Circuito contador
Decodificador binario-BCD
Conversor BCD-7segmentos
Display 7 segmentos
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Conversor BCD-7segmentos.
Ya fragmentado el numero en su respectiva decena y unidad, procedemos en convertir estos números de código BCD a su equivalente en 7 segmentos, con el fin de poder visualizarlos utilizando el display.
El circuito integrado 7447 está diseñado con este fin, necesitaremos dos de estos integrados puesto que tenemos dos números a convertir, uno para las unidades y otro para las decenas.
La implementación en compuertas lógicas será:
III. Implementación del proyecto.
El diseño final del circuito de control es:
a) Circuito temporizador.
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b) Circuito de control de tráfico de carros y luces de tránsito de peatones.
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c) Circuito de visualización de segundos.
La implementación final en compuertas lógicas:
Resultados
Los resultados se establecen en base a las pruebas y se enuncian en las conclusiones, también se establece una proyección para uso y trabajo a futuro del sistema realizado.
I. Conclusiones.
El sistema de control diseñado responde perfectamente a los requisitos de funcionamiento.
El sistema su diseño se divide en 3 bloques dependiendo a la función que cumplan dentro del sistema.
El circuito de sincronización es el encargado de establecer los tiempos de funcionamiento.
El circuito de tráfico está encargado del control de tráfico de carros por medio de semáforos de tres luces.
El circuito de transito dirige el tránsito de peatones mediante los semáforos de peatón y el visualizador de segundos.
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Se comprueba el funcionamiento de los circuitos integrados y su aplicación para el diseño de sistemas complejos.
II. Trabajo a futuro.
Se propone la elaboración del sistema de control en base a microcontroladores, la cual permitirá de mayor flexibilidad en el funcionamiento, así como reducción de costos.
Un estudio adecuado para el uso del sistema, estableciendo los parámetros de funcionamiento en un contexto real.
Se plantea la ampliación del proyecto para su uso en situación real, tanto en la capacidad de funcionamiento como en los requerimientos físicos que se demandan.
