Diseño de un Circuito Contador aplicado al Sistema de Seguridad de los Locales con Respecto a su Aforo

Resumen

El presente informe tiene la finalidad de explicar el proceso que se ha llevado a cabo para el diseño y construcción de un circuito electrónico, el cual básicamente tiene la función de un contador decimal de 3 dígitos, es decir, dicho contador va a llevar una cuenta secuencial que va desde el número 0 hasta el número 999. Lo innovador es la adaptación y el uso que le asignaremos al contador, como la activación de la cuenta por medio de diodos led LDR que van a servir como sensores infrarrojos o pulsadores.

Este diseño consta de circuitos integrados de la tecnología CMOS (C+), una tecnología como la TTL, o Lógica de Transistor a Transistor, componentes que en el transcurso del presente informe voy a detallar con una mayor profundidad; en este caso se ha usado un contador MC14553 y su respectivo decodificador CD4543, además de sus displays (3) de siete segmentos para la visualización de la cuenta, entre otros componentes.

Con respecto a la aplicación en la realidad, este circuito lo deseamos implementar en el área de seguridad, para ser más específicos en busca de la mejora y eficacia de los sistemas de seguridad de los locales con respecto a la capacidad máxima permitida por un determinado establecimiento o local comercial, instalando este dispositivo en la puerta de entrada de un local con el fin de poder visualizar la cuenta de las personas que ingresan y supervisando que no exceda la capacidad máxima permitida o aforo de dicho local, con la finalidad de evitar tragedias o desgracias como lo ocurrido en la discoteca "Utopía", solo por nombrar un ejemplar caso muy conocido.

Introducción

El presente trabajo nace a razón de un trabajo práctico encomendado por el docente del curso de Dibujo Electrónico, el Ing. Wilder Román; el cual consiste en crear, diseñar y construir un proyecto que involucre netamente el nuestro campo el cual es la electrónica, esto con el fin de poner a prueba y en práctica lo aprendido en las diferentes sesiones de aprendizaje y clases dictadas por el mencionado ingeniero encargado del curso, usando las herramientas del dibujo electrónico y todos los medios pertinentes y necesarios para poder llevar a cabo un buen proyecto de fin de curso por motivo del cierre del ciclo académico 2011 – II.

Al hablar de las herramientas de dibujo electrónico me refiero a todos los software que hemos aprendido a manejar a lo largo del desarrollo de este curso, cabe mencionar los programas de dibujo electrónico como el Microsoft Office Visio o el Circuit Maker, solo por mencionar algunos de estos potenciales programas de dibujo electrónico, también haremos uso de todo lo aprendido acerca de simbología puesto que más adelante podremos apreciar gráficos del circuito contador que estamos desarrollando, además de los diagramas de bloque para un mejor entendimiento de los procesos que demanda la construcción de nuestro circuito. Otro punto, enumerando lo aprendido que pondremos en práctica es la realización de un informe de investigación ordenado y con una estructura definida y coherente, para que así el lector pueda entender mejor el la idea o mensaje que queremos transmitir, en este caso la utilidad del proyecto.

Ahora para poder sustentar este trabajo, vamos a hacerlo mediante una exposición ante el salón usando también todas las herramientas disponibles como el proyector multimedia, las diapositivas o un video tutorial, dependiendo de cada grupo, labor que aplaudo, puesto que comparto la idea del docente al buscar que podamos ser capaces de sustentar, exponer ante un público y defender nuestro proyecto aclarando algunas interrogantes espontáneas que pudieran surgir.

Esto nos va a ser de gran ayuda para nuestra vida profesional ya que el Perú ya está inmerso en este proceso digital y de la globalización, además de exigir profesionales cada vez más eficientes, actualizados y capacitados en su campo, y qué mejor práctica que ésta.

También merece mencionarse que hemos estado usando otras herramientas para nuestro aprendizaje, sobre todo y hablando de globalización, la internet, ya que por medio de ésta hemos publicado nuestros dibujos a modo de práctica y algunos trabajos de investigación que se nos encomendaba, haciendo así, una clase más didáctica y actualizada, acorde con las demandas que rigen y exige la enseñanza de calidad.

Regresando a nuestro proyecto, para un mejor entendimiento del proceso de la construcción del contador, tenemos que tener unas nociones y algunos conocimientos previos de electrónica, en el siguiente capítulo les daré un alcance, un marco teórico con lo que se necesita saber para un mejor entendimiento.

Fundamento teórico

Primeramente este circuito lo hemos montado sobre un Protoboard, por lo tanto les voy a dar un alcance a groso modo de las características principales del Protoboard.

Aquí les adjunto una fotografía del circuito montado sobre el Protoboard.

III.1.El Protoboard:

Se conocen en castellano como "placa de prototipos y son esencialmente unas placas agujereadas con conexiones internas dispuestas en hileras, de modo que forman una matriz de taladros a los que podemos directamente "pinchar" componentes y formar el circuito deseado. Como el nombre indica, se trata de montar prototipos, de forma eventual, nunca permanente, por lo que probamos y volvemos a desmontar los componentes, quedando la protoboard lista para el próximo experimento.

Es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos, con lo que se asegura el buen funcionamiento del mismo. Se recomienda hacer las siguientes conexiones a fin de garantizar un óptimo funcionamiento de nuestro circuito.

III.2.El Circuito Integrado MC14553 (Contador):

El integrado MC14553 está formado de contadores 74LS90, latches que almacenan la información por un tiempo determinado y la multiplexación que controla los display. El pin 1(C1B) y 3(C1B), son las que controlan la oscilación interna para que se muestre el barrido de los display. La patilla 14(overflow) la cual permite amplia el rango con otro contador MC14553. La patilla 13(reset) pues obviamente sirve para resetear el circuito. La patilla 10(latch enable) funciona como un stop lo que hace es deshabilitar los latches para que sigan cargando datos como resultados se quedan con los dígitos anteriores. La patilla 12(clock) es donde conectamos la frecuencia en este caso proporcionada por el LM555. La patilla 11(disable) deshabilita el clock. El voltaje máximo es 18V.

III.3.El Circuito Integrado CD4543 (Decodificador):

El decodificador CD4543 es un circuito lógico que acepta un conjunto de entradas que representan números binarios y que activa solamente la salida que corresponde a dicho dato de entrada. En un decodificador, dependiendo de la combinación en sus entradas se determina qué número binario (combinación) se presenta a la salida correspondiente a dicho número, mientras tanto todas las otras salidas permanecerán inactivas Este decodificador sirve para mostrar salidas decimales a entradas binarias. Las entradas pueden estar dadas por cualquier dispositivo que tenga 4 salidas digitales como la computadora, un micro, o Simplemente utilizando switches para conmutar los unos y ceros.

III.4.El oscilador CD4093:

Este circuito integrado incluye cuatro compuertas NAND pero de tipo Schmit. Sirve para varias cosas y el término sólo se refiere a que tiene diferentes niveles para interpretar un "0" y un "1" lógicos (histéresis). Eso ayuda a hacer más estables a los circuitos de detección.

Puede ser un oscilador pero también muchas cosas más.

Este integrado consta de 14 pines, y para ello vamos a usar un potenciómetro de 100 kO, esto para poder calibrarlo a la frecuencia de oscilaciones que nos convenga, pero de esto hablaremos más adelante

En el siguiente diagrama podemos apreciar el encapsulado, es decir, la parte interna de este circuito integrado, el cual si hablamos de su funcionamiento podemos compararlo con un oscilador 555, el cual es un integrado de la familia TTL, muy conocido y usado también para funciones de este tipo.

Circuito Integrado CMOS, es una compuerta NAND Schmitt Trigger, su voltaje de funcionamiento puede ser de 3V a 15V, el circuito es de los más fáciles de armar, con el potenciómetro podemos variar la velocidad de oscilación que se produce en RC, si lo deseamos podríamos quitar el potenciómetro y por medio de la R1 continuaría la oscilación dependiendo del valor del capacitor y resistencia podemos variar la frecuencia, en el pin 2 podemos tener el control, cuando recibe un nivel lógico alto (H) se activa y el nivel bajo (L) se detiene la oscilación, el datasheet da más especificaciones y utilidades.

III.5.El Display VCD de Siete Segmentos:

El display que utilizaremos será realizado con led`s consecutivos utilizando los mismos principios que un display de siete segmentos de ánodo común.

Es decir que todos los segmentos estarán conectados al vcd y la tierra se proporcionara a través del CD4543.

En la siguiente figura se muestra como conectar el display, tanto el de ánodo común (imagen superior) como el de cátodo común (imagen inferior).

Note que las resistencias deben ser de 330 ohms y quedan conectadas en serie con cada LED del display. Vea que en el caso del display de ánodo común, el pin común (cualquiera de ellos) es conectado a Vcc y en el caso del display de cátodo común, el pin común (cualquiera de ellos) se conecta a tierra (el negativo de la batería).

En el display de ánodo común, un segmento se ilumina cuando su pin correspondiente se conecta a tierra (L). En el display de cátodo común, un segmento se ilumina cuando su pin correspondiente se conecta a Vcc (H).

Objetivos del proyecto

• El objetivo principal de este proyecto es poner en práctica nuestras habilidades aprendidas con respecto a los programas de dibujo, puesto que vamos a presentar diferentes gráficos o circuitos que hubo que dibujarlos en algún software o programa que aprendimos a ejecutar o manejar en el transcurso de este curso, tal como en el Circuit Maker o Visio, también vamos a poder observar dibujos hechos en el Proteus, con el fin de poder pasar nuestro circuito desde el diseño en Protoboard a una Placa impresa, por ende resalto la importancia de estos programas o herramientas virtuales que nos van a ayudar en la realización de este proyecto, ya sea en un dibujo de un circuito o diagrama electrónico, la simulación del mismo para verificar su correcto funcionamiento con el fin de evitar fallas o quemaduras de componentes en la realidad hasta el diseño de las conexiones, pistas y ubicaciones de los distintos componentes que necesita este proyecto al momento de hacer la Placa PCB.

• Otro objetivo del proyecto es aprender a interpretar los distintos gráficos, dibujos, esquemas, circuitos e información que demanda la realización de este proyecto, puesto que en el transcurso del proceso de investigación e indagación de los procesos de diseño y recopilación de información adicional y detallada, principalmente de los datasheet de los diferentes componentes usados en el mismo, nos exigía conocimientos básicos de electrónica digital, además nociones básicas del idioma Inglés, ya que los datasheet u hoja de datos de los integrados y demás componentes están escritos en ese idioma.

• Resaltamos también la importancia de la puesta en prueba de la capacidad de organización de los diferentes grupos formados, además de la explicación y exposición que va a hacer cada grupo acerca de su proyecto, ya que es una oportunidad de aprender a defender una cierta posición o sustentar el mensaje que se quiere transmitir durante la exposición dirigida a un determinado grupo de personas, esto nos acerca más a la realidad profesional, en la que tenemos que exponer diferentes proyectos y debatir contra las oposiciones manteniendo y defendiendo nuestra idea.

Equipos, materiales y herramientas utilizados

• 1 Potenciómetro de 100k. R1.

• 4 Resistencias de 1k. R2, R12, R13, R14.

• 2 Resistencias de 6.8k. R3, R4.

• 7 Resistencias de 330O. R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11.

• 1 Fotoresistencia LDR.

• 1 Condensador de 0.001 Uf. C1.

• 3 Transistores 2N3906. Q1, Q2, Q3.

• 1 Circuito integrado CD4093.

• 1 Circuito integrado MC14553.

• 1 Circuito integrado CD4543.

• 3 Displays 7 segmentos de ánodo común LA6960 o MAN6760.

• 2 Pulsadores N.A. S1, S2.

• 2 Protoboards.

• 1 Multímetro.

• Cables y herramientas diversas.

Procedimiento

En el presente capítulo vamos a detallar todo el procedimiento paso a paso, explicando a la vez el funcionamiento de cada componente.

El contador fotoeléctrico que se describe en este proyecto es un circuito que cuenta la cantidad de veces que un objeto opaco se interpone entre un rayo de luz y un sensor óptico, en este caso, las personas, ya que este dispositivo se piensa implementar en las puertas de ingreso a los locales, como ya se mencionó anteriormente. El estado de la cuenta se visualiza en tres displays de siete segmentos, permitiendo la cuenta en línea hasta de 999 objetos.El contador utiliza como sensor un LDR (resistencia dependiente de la luz) o fotocelda. La luz puede provenir de una fuente natural (sol) o artificial (lámparas incandescentes, fluorescentes, de neón, etc.).Cuando la cuenta llega a su tope máximo (999), el circuito la reinicia nuevamente en 0 y envía una señal de sobreflujo que puede utilizarse externamente para ampliar la longitud del conteo a 4 ó más dígitos.El circuito también proporciona la facilidad de borrar la cuenta (reset) o detenerla (stop) en cualquier momento. No utiliza partes móviles y es extremadamente compacto, gracias a la adopción de una técnica digital conocida como múltiplex por división de tiempo.Al no existir contacto físico entre el sensor y el mundo externo, el sistema garantiza la ausencia de desgaste mecánico y permite contar objetos de cualquier índole, sin importar su forma o su peso. Esta es una de sus principales ventajas.Los contadores fotoeléctricos se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, domésticas e industriales, y sustituyen a los contadores electromecánicos convencionales en numerosas situaciones. Se pueden emplear para contar personas, animales y objetos como hojas, botellas, latas, cajas, bolsas, etc.

VI.1.Diagrama de bloques:

El siguiente esquema pertenece al diagrama de bloques de este proyecto, es decir, los procesos por el cual se explica mejor su funcionamiento.

El sistema consta, básicamente, de un sensor de luz (LDR), un conformador de pulsos, un contador BCD de 3 décadas multiplexado, un decodificador de BCD a siete segmentos y un displays de 3 dígitos.

VI.2.Desarrollo del Proyecto y Gráficos:

En esta figura se muestra el circuito correspondiente al conformador de pulsos. En condiciones normales, la fuente de luz ilumina la fotocelda y su resistencia es muy baja. Como resultado, la entrada del inversor Schmitt-trigger recibe un alto y su salida es baja.

Cuando se interpone un objeto entre el rayo de luz y la fotocelda, la resistencia de esta última aumenta, aplicando un bajo a la entrada del inversor Schmitt-trigger. Como respuesta, la salida del circuito realiza una transición de bajo a alto, es decir, produce un flanco de subida.Cuando el objeto deja de interrumpir el rayo de luz, la resistencia de la fotocelda disminuye y la salida del inversor se hace nuevamente baja. El resultado neto de este proceso es la emisión de un pulso positivo de voltaje. Este pulso se aplica al contador.Las fotoceldas no responden inmediatamente a los cambios en la intensidad de la luz incidente y, por tanto, generan señales lentas. Esta es la razón por la cual se emplea una compuerta Schmitt-trigger como dispositivo conformador de pulsos.El potenciómetro R2 permite ajustar la sensibilidad de la fotocelda de acuerdo a la intensidad de la luz incidente. La resistencia R1 sirve de protección, evitando que circule una corriente excesiva cuando el potenciómetro está en su posición de mínima resistencia y la LDR está iluminada.El contador de pulsos es el corazón de este proyecto. Está desarrollado alrededor de un circuito integrado MC14553. Este chip, consiste de tres contadores BCD conectados en cascada.El primer contador registra, en código BCD, las unidades, el segundo las decenas y el tercero las centenas del número de pulsos. Por ejemplo, si han ingresado 319 pulsos, en las salidas del primer contador se tendrá el código BCD 0011 (3), en las salidas del segundo el código 0001 (1) y en las salidas del tercero el código 1001 (9).Estos tres códigos se rotan secuencialmente en las salidas del contador MC 14553, apareciendo cada uno durante una pequeña fracción de tiempo (1.6 ms). Esta forma de presentar información digital se conoce como múltiplex por división de tiempo.Las salidas del contador alimentan un decodificador 4543B, el cual convierte cada código BCD en un código de siete segmentos que excita, secuencialmente, los displays encargados de visualizar las unidades, decenas y centenas de la cuenta.

VI.3.Diagrama de conexiones del circuito completo:En la figura adjunta se muestra el diagrama esquemático completo del contador fotoeléctrico. Los pulsos provenientes del conformador se aplican al pin 12 del MC14553. Para que la cuenta ocurra, las líneas MR (reset maestro, pin13) y DIS (inhibidor, pin11) deben estar ambas en bajo.Para iniciar la cuenta a partir de 000 ó cancelarla en cualquier momento, debe pulsarse el botón de borrado S1 (reset). De este modo, la línea MR (reset maestro pin 13) del MC14553 recibe un alto y todas las salidas BCD de sus contadores internos se hacen iguales a 0000.Para detener la cuenta y congelarla en el último valor registrado, sin borrarla, debe pulsarse el botón de paro S2 (stop). Cuando esto se hace, la línea DIS (inhibidor, pin 11) del MC14553 recibe un alto y se inhibe la operación de los contadores BCD internos.El condensador C1 determina la frecuencia de exploración, es decir, la rapidez con la cual el MC14553 muestra secuencialmente en sus salidas los códigos de las unidades, decenas y centenas de la cuenta actual.

VI.4.Placa de Circuito Impreso:

A continuación voy a narrar a groso modo los principales pasos que se necesitan para diseñar una placa impresa. Los principales materiales a utilizar son:

• Placa baquelita del tamaño necesario.

• Papel fotográfico.

• Lija de fierro.

• Acido férrico.

• Agua oxigenada.

• Taladro con broca de 1mm.

• Cautín.

El primer paso es dibujar el proyecto en el Proteus, un programa de dibujo, simulación y diseño de pistas para placas impresas, luego el dibujo de las pistas hay que imprimirlas en papel fotográfico. Para plasmar las pistas diseñadas e impresas en la placa previamente lijada, hay que planchar ejerciendo presión sobre la parte con cobre de la placa hasta observar que la impresión se ha adherido a la placa, una vez hecho esto pasamos al sumergido de la placa en una solución de agua oxigenada y ácido férrico, después de unos 10 minutos ya tendremos solo las pistas con cobre pues el ácido habrá derretido la parte con cobre sobrante.

Por último pasamos perforado de la placa en los puntos que sean necesarios para finalizar con el montado de los componentes en la placa para una posterior soldada de los pines de los componentes.

Mejoras del diseño

• La primera mejora de diseño es construir un prototipo, es decir acoplarle a este circuito una carcasa para un mejor mantenimiento y cuidado de nuestra placa impresa, ya sea para una mejor movilización para una posterior instalación de este dispositivo y por una cuestión de conservación de los componentes usados en este proyecto, además de aislarlo de la interperie con el fin de evitar alguna descarga eléctrica hacia una persona por una mala manipulación o un cortocircuito.

• Hacer las respectivas coordinaciones para poder implementar este prototipo en los diferentes locales que acojan numerosas personas y que estén más propensos a cualquier tipo de accidentes o situaciones que comprometan y pongan en riesgo la integridad física y la salud de las personas que asistan a dichos locales o centros de diversión, tales como discotecas, salones de recepciones, clubes, karaokes, etc. Es decir, aquellos locales que necesiten de un sistema de prevención en caso de algún hecho para poder evitar así que la desgracia sea mayor y evitar pérdidas humanas.

Referencias bibliográficas

• es.wikipedia.org/wiki/Contador

• www.hispavila.com/3ds/lecciones/lecc6.htm

• html.rincondelvago.com/electronica–digital_10.html

• www.electronicafacil.net/tutoriales/Contadores–digitales.php

• www.unicrom.com/ElectronicaDigital.asp

• www.electronica2000.com/digital/contdig.htm

• www.youtube.com/watch?v=dlhUth5buKw

• proyectoselectronics.blogspot.com/2008/05/contador–digital.html

• webs.uvigo.es/mdgomez/LEDG/practicas/practica06.pdf

• laimbio08.escet.urjc.es/assets/files/docencia/EDI/tema7.pdf

Enviado por:

Pablo Turmero