FUNDAMENTOS DEL MATERIAL INFORMÁTICO Curso

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1 FUNDAMENTOS DEL MATERIAL INFORMÁTICO Curso PRÁCTICA 2: Diseño del circuito controlador del tráfico de un cruce de carreteras OBJETIVO: Diseño y montaje de un circuito que controle las luces, verde-ámbar-rojo, del semáforo que regule el tráfico en la intersección de dos vías: una Norte-Sur, la otra Este- Oeste. MATERIAL NECESARIO Placa de inserción: 2 udes. Hilos de cableado rígido de 0,28 mm 2 para placa de inserción: o Color negro: 1m o Color rojo: 1m o Color azul: 1m o Color blanco: 1m o Color verde: 1m Diodos LED: o color rojo: 2 udes. o color verde: 2 udes. o color ámbar: 2 udes. Resistencias o de 10 KΩ (1/4 W, tolerancia 1%): 1 ud. o de 24 KΩ (1/4 W, tolerancia 1%): 1 ud. o de 80 kω (1/4 W, tolerancia 1%): 1 ud. Capacidades o de 100μF (de 25 voltios, radial): 2 ud. o de 1μF (de 25 voltios, radial): 1 ud. Circuitos integrados: o 74HC14 (6 disparadores de Schmitt): 1 ud. o 74HC221A (2 multivibradores monoestables): 1 ud. o 74HC74 (2 biestables tipo D): 1 ud. o 74HC153 (2 multiplexores de dos entradas de control): 1 ud. o 74HC00 (4 puertas NAND de 2 entradas): 1 ud. o 74HC02 (4 puertas NOR de dos entradas): 1 ud. OPCIONAL: se puede disponer de una pila de petaca de 4,5 V, para comprobar el funcionamiento del circuito NOTA: Las hojas de características de los circuitos integrados están disponibles en la página web de la asignatura. ENTREGA DE RESULTADOS Con las mediciones obtenidas a lo largo del desarrollo de la práctica, se conformará una plantilla de resultados, según el modelo publicado a tal efecto. Dichas plantillas se entregarán a la coordinadora de la asignatura, en la fecha que se indicará. FMI, Practica 2, curso 2010/11 1

2 ESPECIFICACIONES El circuito controlador de los semáforos, deberá considerar que las luces correspondientes a cada dirección, conmutarán siguiendo la secuencia Verde-Ámbar-Rojo y que deberán satisfacer las siguientes condiciones: 1. La luz verde tendrá una duración de T 1 segundos y la luz ámbar una duración de T 2, cumpliendo la condición: T 1 > T 2 2. Mientras en una dirección se mantengan las luces verde o ámbar, respectivamente, en la otra dirección permanecerá siempre la luz roja. Esta condición determina la duración de la luz roja, que vendrá dada por la suma de los periodos de las otras dos luces; es decir (T 1 + T 2 ) segundos. El esquema general del controlador se muestra en la figura 1. Consta de un sistema secuencial, construido mediante un autómata de Mealy y dos temporizadores encargados de generar una señal de control, una vez transcurridos los intervalos de tiempo programados. A su vez el autómata tendrá cuatro estados y estará construido por biestables tipo D, para la memoria y multiplexores y puertas lógicas, para el circuito combinacional. Figura 1. Esquema general del circuito de control Las señales T L y T C son las salidas generadas por los temporizadores transcurridos los intervalos de tiempo T 1 y T 2, respectivamente, desde que reciben su correspondiente señal de activación I_T L e I_T C. Los citados intervalos, T 1 y T 2, se corresponden con las constantes de tiempo asociadas a los productos R 1 C 1 y R 2 C 2, respectivamente, que se generarán con resistencias y capacidades de valores determinados. Para realizar la función de los temporizadores se empleará el circuito integrado 74HC221A, constituido por dos multivibradores monoestables, cuyas características y modos de operación aparecen descritos en las hojas de especificaciones. El esquema de conexión de los temporizadores se indica en la figura 2. FMI, Practica 2, curso 2010/11 2

3 Figura 2. Esquema de conexión de los temporizadores Para simular las luces del semáforo se utilizarán 6 diodos LED y las señales que los activan se identificarán según la tabla siguiente: LUCES DE SEMÁFOROS NORTE-SUR ESTE-OESTE V N (verde) V E (verde) A N (ámbar) A E (ámbar) R N (rojo) R E (rojo) Tabla 1. Señales de activación de los diodos GENERACIÓN DE LA SEÑAL DE RELOJ CON UN DISPARADOR DE SCHMITT Para generar la señal de reloj, se empleará el circuito integrado 74HC14, constituido por seis disparadores de Schmitt, cuyas características y modos de operación aparecen descritos en las hojas de especificaciones y cuyo esquema de pines se incluye en la figura 3. Figura 3. Esquema de pines del Circuito Integrado 74HC14 En la figura 4 se representa el circuito generador del reloj. Los valores de la resistencia y de la capacidad, están calculados, para que la frecuencia de la señal generada sea aproximadamente 100 Hz. FMI, Practica 2, curso 2010/11 3

4 DISEÑO DEL AUTÓMATA Las variables del sistema son: Figura 4. Circuito generador de una señal de reloj Entrada: Salidas generadas por los temporizadores; Tiempo_Largo, T L, y Tiempo_Corto, T C. Estado: Q A y Q B Salida: Señales de Inicialización (activación) de los temporizadores I_T L e I_T C y Salidas que activan las 6 luces de los semáforos V N, A N, R N, V E, A E y R E La asignación de los 4 estados del autómata, se recoge en la tabla siguiente: Denominación Código Norte-Sur Verde N-S V 00 Norte-Sur Ámbar N-S A 01 Este-Oeste Verde E-O V 10 Este-Oeste Ámbar E-O A 11 Tabla 2. Estados del autómata de control El diagrama de transición entre los estados se representa en la figura 5. Figura 5. Diagrama de estados FMI, Practica 2, curso 2010/11 4

5 A partir del diagrama de estados, obtenemos la tabla de transición entre dichos estados, donde se especificarán todas las salidas que generará el sistema en función de las entradas que reciba. Un esquema de la misma, se recoge en la tabla 3. Estado Actual Q B Q A Condición Estado Futuro Salidas Externas D B D A Luces del semáforo Inic. Temporizador V N A N R N V E A E R E I_T L I_T C N-S V 00 T L 0 0 T L 0 1 N-S A 01 T C 0 0 T C 1 0 E-O V 10 T L 0 0 T L 0 1 E-O A 11 T C 0 0 T C 1 0 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Tabla 3. Tabla de transición entre estados 1.- Obtención de la tabla de transición entre estados 2.- Partiendo de la tabla de transición entre estados, se obtendrán las funciones lógicas de las variables de estado futuro: D A y D B ; las señales de activación de las luces del semáforo: V N, A N, R N, V E, A E y R E ; y las señales de activación de los temporizadores: I_T L e I_T C. 3.- Representación esquemática a nivel de bloque funcional y con símbolos de puertas de las funciones lógicas obtenidas en el apartado anterior: 4.- Representación general del interconexionado de los Circuitos Integrados indicando claramente los nombres de las señales conectadas a cada uno de los terminales. Para ello se deberá consultar los diagramas de conexión y tablas de verdad de los respectivos C.I. en sus correspondientes hojas de especificaciones técnicas. 5.- Montaje del circuito completo sobre las placas de inserción, siguiendo el esquema de las interconexiones obtenidas en el punto anterior; el de los temporizadores, incluido en la figura 2 y el del reloj generado. En la realización de este montaje, deben tomarse en cuenta las siguientes consideraciones: Al realizar el montaje del circuito de los temporizadores (figura 2), al conectar las capacidades C 1 y C 2, respétese de manera rigurosa la polaridad de sus terminales Por razones prácticas, las señales de activación de los temporizadores, y, son negadas. Se obtendrán mediante dos puertas NAND, respectivamente. Los terminales CLEAR de los temporizadores y CLEAR y PRESET de los biestables deben conectarse a V DD 6.- Conexión del circuito a una fuente de alimentación con +5 V en su salida. Medición de valores temporales. FMI, Practica 2, curso 2010/11 5