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UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO - UNINOVE Departamento de Ciências Exatas Projeto Integrador de Engenharia – 4º Semestre 2016/01 Digital Traffic Controller Controlador de Tráfego Digital Francinaldo Guedes da Silva RA: 314202979 Jose Novais Junior. RA: 314202593 William Carlos Olanda. RA: 314203675 São Paulo 2016 2 Francinaldo Guedes da Silva RA: 314202979 Jose Novais Junior. RA: 314202593 William Carlos Olanda. RA: 314203675 Digital Traffic Controller Controlador de Tráfego Digital Projeto Integrador de Engenharia, para compor a nota AV3 das disciplinas do quarto semestre. São Paulo 2016 Orientador: ROGÉRIO PULEGIO 3 AGRADECIMENTOS Agradecemos o apoio de nossas (os) cônjuges (os) filhos (as), pais e a todos de nossa família que nos auxiliaram neste caminho. A todos os educadores que tivemos o prazer do convívio, especialmente ao professor ROGÉRIO PULEGIO. Pela sua orientação, nossa sincera gratidão. 4 Dedicamos este trabalho à nossa família pelo apoio e compreensão em todos os momentos, especialmente nas situações mais difíceis vividas ao longo dos dias deste primeiro semestre de 2016. 5 RESUMO O projeto foi realizado por alunos do quarto semestre de Engenharia Elétrica na disciplina “CIRCUITOS DIGITAIS I”, seguindo as normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Professor: ROGÉRIO PULEGIO. Neste projeto o tema desenvolvido é “Projeto e confecção de um conjunto de dois semáforos digitais para controle de tráfego de veículos em um cruzamento de vias”. O semáforo digital é um dispositivo eletrônico de sinalização urbana, rodoviária e ferroviária; utilizado para o controle de tráfego de veículos em um cruzamento de vias. Seu princípio de funcionamento é baseado em sinalização luminosa por meio de três cores: vermelha, amarela e verde. 6 ABSTRACT The project was carried out by students of fourth semester of Electrical Engineering discipline " CIRCUITS DIGITAL I " following the ABNT (Brazilian Association of Technical Standards). Teacher: ROGÉRIO PULEGIO. In this project the developed theme is "Design and manufacture of a set of two digital traffic lights for vehicle traffic control in a way crossing ". The digital signal is an electronic device of urban, road and railway signaling; used for vehicle traffic control in a way crossing. Its working principle is based on light- signaling through three colors: red, yellow and green. 7 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1: Etapa 1 ................................................................................................ 19 Figura 2: Etapa 2 ................................................................................................ 19 Figura 3: Visão interna do CI 555......................................................................... 20 Figura 4: Funcionamento do CI 555..................................................................... 21 Figura 5: Compatibilidade do CI 555.................................................................... 22 Figura 6: Níveis alto e baixo ................................................................................ 23 Figura 7: Fórmula ................................................................................................ 23 Figura 8: Sinal retangular do circuito.................................................................... 24 Figura 9: Cálculo do resistor/capacitor ................................................................ 24 Figura 10: Potenciômetro.................................................................................... 25 Figura 11: Potenciômetro.................................................................................... 25 Figura 12: Símbolos Potenciômetro.................................................................... 25 Figura 13: Contador de décadas ......................................................................... 26 Figura 14: CI 4017............................................................................................... 26 Figura 15: Saídas e níveis CI 4017...................................................................... 27 Figura 16: Wakerly, 2006..................................................................................... 32 Figura 17: Movimento veicular............................................................................. 33 Figura 18: Movimento veicular............................................................................. 33 Figura 19: Movimento veicular............................................................................. 34 Figura 20: Simulação........................................................................................... 35 Figura 20: Simulação - Ampliada......................................................................... 36 Figura 21: Sem bateria para uso no ARES........................................................... 37 Figura 22: Simulação de circuito; ISIS ARES ...................................................... 37 8 Figura 23: Simulação de circuito; ISIS ARES 3D ................................................ 37 Figura 24: Simulação de circuito; ISIS ARES 3D ................................................ 38 Figura 25: Fonte de alimentação ........................................................................ 39 Figura 26: Diagrama de blocos ........................................................................... 39 Figura 27: Esquema elétrico da fonte de alimentação.......................................... 40 Figura 28: Simulação da fonte 5 V; ISIS PROTEUS............................................ 40 Figura 29: Simulação da fonte 5 V; ISIS ARES................................................... 41 Figura 30: Simulação da fonte 5 V; ISIS ARES 3D............................................. 41 Figura 31: Simulação da fonte 5 V; ISIS ARES 3D............................................. 41 Figura 32: Transformador.................................................................................... 42 Figura 33: Simulação Protoboard........................................................................ 43 Figura 34: Simulação Protoboard........................................................................ 44 Figura 35: Simulação Protoboard........................................................................ 44 Figura 36: Simulação Protoboard........................................................................ 45 Figura 37: Placa Fenolite..................................................................................... 45 Figura 38: Transferência de imagem por calor.................................................... 46 Figura 39: Transferência de imagem por calor.................................................... 46 Figura 40: Processo de descolamento................................................................ 46 Figura 41: Processo de descolamento................................................................46 Figura 42: Processo de descolamento................................................................ 46 Figura 43: Processo de descolamento................................................................ 46 Figura 44: Transferência de imagem por calor.................................................... 47 Figura 45: Limpeza da peça................................................................................. 47 Figura 46: Placa com falhas ................................................................................ 48 Figura 47: Falha nas trilhas ................................................................................. 48 Figura 48: Falha nas trilhas ................................................................................. 48 9 Figura 49: Placa aprovada ................................................................................. 49 Figura 50: Furação.............................................................................................. 49 Figura 51: Furação............................................................................................... 49 Figura 52: Corrosão............................................................................................. 50 Figura 53: Corrosão............................................................................................. 50 Figura 54: Soldagem........................................................................................... 50 Figura 55: Soldagem........................................................................................... 50 Figura 56: Soldagem........................................................................................... 50 Figura 57: Montagem........................................................................................... 51 Figura 58: Montagem........................................................................................... 51 Figura 59: Montagem........................................................................................... 51 Figura 60: Montagem........................................................................................... 51 Figura 61: Montagem........................................................................................... 51 Figura 62: Maquete.............................................................................................. 52 Figura 63: Maquete.............................................................................................. 52 Figura 64: Maquete.............................................................................................. 52 Figura 65: Maquete.............................................................................................. 52 Figura 66: Maquete.............................................................................................. 52 10 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Construção da Tabela-Verdade ......................................................... 28 Tabela 2: Matriz de correlação das vias - Semáforo .......................................... 28 Tabela 3: Mapa de Karnaugh.............................................................................. 29 Tabela 4: Mapa de Karnaugh e expressão boolena – Luz Verde . ..................... 30 Tabela 5: Mapa de Karnaugh e expressão boolena – Luz Vermelha . ............... 30 Tabela 6: Mapa de Karnaugh e expressão boolena – Luz Amarela . ................. 31 Tabela 7: Tabela macro de custos . ................................................................... 53 Tabela 8: Tabela de custos do projeto . ............................................................. 54 11 SUMÁRIO AGRADECIMENTOS...................................................................................................3 RESUMO ................................................................................................................... 5 ABSTRACT ................................................................................................................ 6 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 12 Metodologia ............................................................................................................. 12 1 OBJETIVO ..................................................................................................... 14 2 SINALIZAÇÃO SEMAFÓRICA ....................................................................... 16 2.1 Evolução da tecnologia semafórica e uso da atuação no Brasil .................. 17 3 CONCEITO CONTROLADOR DE TRÁFEGO DIGITAL ................................. 19 3.1 Etapa 1: Análise e Modelagem.................................................................... 20 3.2 Etapa 2: Validação por simulação ................................................................. 32 4 TABELA DE CUSTOS .................................................................................... 53 4.1 Tabela de Custos Oficial do Projeto ............................................................ 54 5 DISCUSSÃO .................................................................................................. 55 6. CONCLUSÃO ................................................................................................ 57 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 58 12 INTRODUÇÃO A proposta desse trabalho é desenvolver dois semáforos digitais que atuem de acordo com as condições de tráfego no cruzamento de vias, possibilitando ao aluno o aprimoramento em projetar e conceber a construção de um protótipo que possa explicar a funcionalidade de um controlador de tráfego de veículos, baseado em sinalização semafórica. Muitas ideias surgiram, teorias, práticas e projetos foram desenvolvidos e assim selecionamos aquela que mais acrescentou às experiências vivenciadas pelo grupo para atendimento aos requisitos estipulados. Durante a construção desse trabalho e execução dos protótipos, nós pegamos refletindo sobre a necessidade de sinalização semafórica e a sua evolução ao longo da história, tendo em vista o grande crescimento da população, veículos e mecanismos diversos de transportes, portanto, deixamos descrito no capítulo 2 um pouco desse contexto de regulamentação de vias com a finalidade de organizar, controlar e preservar tanto veículos diversos como garantir a proteção ao pedestre. Para desenvolvimento desse trabalho seguimos a metodologia proposta pela UNINOVE, conforme segue abaixo: Metodologia Circuito impresso: Duas entradas digitais ou binárias onde: uma entrada digital é utilizada para ligar (nível lógico “1” ou “Verdadeiro”) ou desligar (nível lógico “0” ou “Falso”) o conjunto de semáforos, e a segunda entrada digital é utilizada para simular uma entrada de falha dos dois semáforos simultaneamente; Dois leds vermelhos, dois leds verdes e dois leds amarelos para sinalização dos dois semáforos; Uma borneira de alimentação em tensão alternada (Vca). Também deverá ser entregue: A simulação do circuito eletrônico confeccionado em ambiente PROTEUS-ISIS; 13 Um protótipo de um cruzamento de vias e sistema semafórico para sinalização e controle de tráfego de veículos; Um vídeo com registro da montagem e funcionamento; Um manual de funcionamento; Um artigo científico ou tecnológico de modo a explicar suas aplicações práticas e seu princípio de funcionamento.A metodologia utilizada será baseada em duas etapas, sendo a primeira Análise e Modelagem e a segunda etapa Validação por Simulação. 14 1. OBJETIVO O Projeto Integrador tem o objetivo de oferecer aos estudantes dos cursos de engenharia Elétrica da Universidade Nove de Julho a oportunidade de conhecer, aplicar e aprimorar a metodologia do trabalho científico. Através do acompanhamento, o professor tutor propiciará aos alunos a oportunidade de desenvolver, projetar e conceber a construção de um protótipo que possa explicar a funcionalidade de um controlador de tráfego de veículos em um cruzamento de vias, baseado em sinalização semafórica. Este processo, juntamente com a confecção do simulador e do protótipo, propiciará a ampliação de conhecimentos, competências e habilidades referentes às disciplinas estudadas nos semestres anteriores e do semestre letivo, além de incentivar a pesquisa de novos conhecimentos. Assim, será possível reconhecer a inter-relação das disciplinas que compõem a grade curricular do curso e promover a integração entre alunos, professores e coordenadores, além de inserir os alunos em atividades comuns à prática acadêmica: planejamento, pesquisa e execução de projetos. Descrição do Projeto O projeto proposto deve seguir os seguintes requisitos: O grupo, composto de 3 até 7 (sete) integrantes da mesma turma, deverá projetar e montar o circuito eletrônico do semáforo digital, bem como, confeccionar o manual, vídeo e o artigo cientifico; Projeto e simulação do Circuito Eletrônico Desenvolvimento e montagem do protótipo. Observações: O circuito do projeto deve ser apresentado em forma de protótipo; Conter um botão liga/desliga dos dois semáforos simultaneamente; Conter 2 LEDs indicativos das cores vermelha, amarela e verde. 1 LED para cada semáforo do cruzamento de vias. Conter um botão liga/desliga para simular falha simultânea dos dois semáforos. Quando o botão estiver desligado (nível lógico “0”) os dois semáforos 15 funcionam normalmente. Caso contrário, ou seja, quando o botão estiver ligado (nível lógico “1”) somente as lâmpadas amarelas dos dois semáforos e que piscam com frequência de 1Hz. Conter o Logotipo da Uninove; Indicação do grupo e turma; Deve funcionar com bateria e/ou com alimentação 110/220V; Proibido uso de placa universal e/ou protoboard na apresentação final. Criar um vídeo que demonstre a montagem do projeto, testes e destaque para a apresentação do funcionamento do circuito. Este vídeo deve contemplar o tempo de gravação entre 1 e 5 minutos e o formato deve ser reconhecível para os decoders do Windows Media Player. Este vídeo deverá ser entregue em mídia digital (CD ou DVD). 16 2. SINALIZAÇÃO SEMAFÓRICA Os semáforos modernos foram desenvolvidos a partir de equipamentos manuais de operação de tráfego utilizados em Londres no ano de 1868. Em 1913, James Hoge inventou o primeiro semáforo elétrico como hoje é conhecido (aplicado em Cleveland em 1914). Esta invenção aparece como sendo a origem do semáforo a três cores, o qual se propagou nos Estados Unidos no começo da década de 20. Semáforos interligados começaram a ser utilizados na cidade de Salt Lake City em 1917. Um sistema progressivo foi proposto em 1922. Os primeiros semáforos atuados foram instalados em New Haven, East Norwalk e Baltimore em 1928 (HOMBURGUER et al., 1992). A evolução dos equipamentos de controle semafórico permitiu maior flexibilidade da filosofia de controle, gerando a possibilidade de desenvolver estratégias mais sofisticadas, que buscaram maior eficiência na administração do tráfego (de forma geral, através da maior sensibilidade às variações das condições de operação). O controle atuado pelo tráfego veicular é aquele no qual o tempo de verde de uma aproximação é influenciado pela detecção imediata de veículos, onde cada aproximação está sujeita aos tempos mínimo e máximo de verde e alguns estágios podem ser ignorados, se não houver demanda em seu detector (TRB-HCM, 1997)1 . A atuação pode ser total (em todas as correntes de tráfego) ou parcial (como na semi- atuação, em que apenas as correntes secundárias são atuadas). Das estratégias de resposta às condições de tráfego, deve ser diferenciado o controle dos semáforos por atuação do controle adaptativo como lógica descentralizada alternativa. O controle adaptativo é aquele no qual um esquema de horizonte móvel é utilizado para prever as condições de tráfego existentes (normalmente projetadas 15 minutos adiante) e calcular o plano semafórico. Em contrapartida, no controle atuado total, essas intensidades dos fluxos de tráfego são absorvidas pelas variações dos períodos de verde em cada instante, de acordo com os eventos detectados (BONETTI, 2001). Portanto, a lógica da atuação tradicional permite a eliminação da folga na programação semafórica necessária para acomodar flutuações nas condições de tráfego em vista da possibilidade de ajustar os tempos de verde a cada ciclo, através da alocação de um tempo de verde igual ao necessário para escoar as filas (condição de máxima produtividade), dentro de uma faixa de mínimo e máximo verde definida. 17 2.1 Evolução da tecnologia semafórica e uso da atuação no Brasil Como visão preliminar, pode-se identificar duas linhas diferentes de evolução na informatização ou automação do controle semafórico. Por um lado, pode-se destacar a concepção e implantação de sistemas de controle computadorizado centralizados (que pode ser relacionada com a tradição inglesa, em particular), que são aqueles nos quais o computador comanda diretamente a programação dos semáforos, informando a cada instante qual a situação luminosa que deve acontecer (ZSASZ, 1997). De outro, pode-se destacar também a sofisticação das ferramentas de automação dos semáforos com base em informação imediata e local, que corresponde ao controle atuado pelo tráfego (que pode ser relacionada com a tradição norte-americana), em que se medindo o fluxo através de detectores, é possível melhorar o desempenho e manter a programação ótima, acompanhando a flutuação aleatória e microscópica do tráfego, ciclo a ciclo (ZSASZ, 1997). A evolução do controle semafórico no Brasil desenvolveu-se na década de 70 por linhas definidas pelas experiências de outros países e foi liderada pelas iniciativas tomadas pela CET/SP - Companhia de Engenharia de Tráfego do Município de São Paulo. No primeiro passo, quando aqui ainda imperavam os equipamentos eletromecânicos, ocorreu a introdução de controladores multiplanos, de tempo fixo (de origem norte-americana, em 1976). O segundo passo incluiu a implantação da centralização de equipamentos com programações a tempos fixos (com o projeto SEMCO em São Paulo, em 1980), utilizando controladores eletrônicos importados (da Plessey, fabricante inglesa). A iniciativa de desenvolver e testar um controlador atuado nacional (realizado em conjunto pela CET/SP e o Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT) foi um esforço paralelo que teve uma significação menor (BONETTI, 2001). O controle semafórico atuado pelo tráfego como alternativa intermediária entre os sistemas em tempo real e o controle em modo off-line não foi empregado no Brasil. Por exemplo, na cidade de São Paulo, após a implantação do controle em modo coordenado off-line, o controle semafórico em modo atuado foi cogitado posteriormente,mas foi implantado em cerca de 30 interseções (contra os mais de 400 semáforos centralizados). Dessa época aos dias de hoje, o controle semafórico em modo atuado não tem sido utilizado em larga escala no Brasil, exceto para estágios específicos de travessia de pedestres 18 acionados por botoeira, talvez pela ausência de recursos mais avançados nos equipamentos nacionais. 19 3. CONCEITO CONTROLADOR DE TRÁFEGO DIGITAL O desenvolvimento deste projeto deverá cumprir duas etapas: Etapa 1: Análise e modelagem Esta fase corresponde ao processo de análise e compreensão do problema, construção da Tabela-Verdade, seguida pela criação do mapa de Karnaugh e obtenção da expressão booleana, conforme figura 1. Etapa 2: Validação por simulação Nesta fase deve ser apresentada a elaboração do circuito esquemático, utilizando ISIS-PROTEUS baseada na expressão booleana e realização da simulação do circuito, conforme figura 2. Fig.1 – Etapa 1 Fig. 2 – Etapa 2 20 3.1 Etapa 1: Análise e Modelagem 3.1.1 Análise e compreensão do problema Problema a ser solucionado: projeto e confecção de um conjunto de dois semáforos digitais para controle de tráfego de veículos em um cruzamento de vias. O problema de implementação de um semáforo pode à primeira vista parecer básico devido à aparente simplicidade e a regularidade com que se apresenta este dispositivo, basicamente o que ele faz é alternar entre as luzes verde, amarelo e vermelha respeitando tempos pré-programados para cada um dos estados. Porém, quando se faz uma análise mais técnica observa-se que se faz necessário empregar certo nível de perícia para se obter o comportamento mais trivial para essa classe de dispositivos. Aqui visamos detalhar a criação de dois semáforos em um cruzamento com quatro vias, para duas entradas e duas saídas, sendo que os semáforos têm que se comportar em perfeito síncrono e segurança para que não haja acidentes com os veículos, e também com o intuito de alertar e chamar a atenção caso exista falha no circuito semafórico de trafego. Para isso precisamos de um circuito que tenha uma perfeita sincronização, igual a um relógio que com seu tic tac, percebe-se que tem um circuito integrado 555, que devido à resistência emite um pulso sincronizado e no tempo que se deseja. Visão interna do CI 555 na figura 3. Fig. 3 – Visão interna do CI 555 21 Um dos circuitos integrados mais versáteis até hoje fabricado e também mais utilizado não só em nossos projetos, mas nos de todas as grandes revistas de eletrônica do mundo é o timer 555. Projetado para reunir funções muito usadas de maneira muito simples, o circuito integrado 555 é a solução ideal para projetos que exigem temporizações de até uma hora ou a produção de sinais até uns 100 kHz ou pouco mais. Observe como funciona o circuito integrado 555 e como empregá-lo com segurança, aproveitando o máximo de seu potencial, figura 4. Fig. 4 – Funcionamento do CI 555 Para o usuário do 555 é importante saber que ele pode funcionar com tensões de 5 a 18 volts e que sua saída pode fornecer ou drenar correntes de até 200 mA. Se bem que esta corrente permite o acionamento direto de relés e outros tipos de cargas, é costume utilizar uma etapa isoladora-amplificadora (buffer) quando a carga é indutiva (relés e solenoides), com maior estabilidade para o componente. Quando a saída do 555 está no nível alto, o componente drena uma corrente de aproximadamente 10 mA. No entanto, no estado de repouso (com saída baixa) a corrente drenada pela 555 é de apenas 1 mA. Observe que a faixa de tensões de alimentação permite que o 555 seja usado com total compatibilidade em aplicações conjuntas com circuitos integrados TTL e CMOS. Exemplo figura 5. 22 Fig. 5 – Compatibilidade CI 555 Nesta configuração, os pinos 6 e 7 que correspondem ao sensor de nível e terminal de descarga do capacitor são interligados e ligados a uma rede RC, ou seja, um capacitor e um resistor externo que vão determinar o tempo de acionamento do circuito. A entrada de disparo, que corresponde ao pino 2, deve ser mantida sob uma tensão maior que 2/3 da tensão de alimentação (valor dado pelos três resistores internos). Nas condições indicadas, a saída do circuito (pino 3) se mantém no nível de 0 V, ou seja, sem tensão. Os pinos 4 e 8 que correspondem à reciclagem e alimentação devem ser mantidos com a tensão de alimentação e o pino 1 aterrado. Quando, por um instante, o pino 2 é aterrado (ou sua tensão cai para menos de 1/3 da tensão de alimentação, disparando assim os comparadores), o circuito muda de estado e sua saída vai ao nível alto. No pino 3 passamos a ter uma tensão positiva. O circuito não se mantém indefinidamente neste estado. A saída será mantida no nível alto por um tempo que dependerá justamente de R e de C dado pela fórmula mostrada na figura 7 e na figura 6 o seu nível alto e baixo. 23 Fig. 6 – Níveis alto e baixo Fig. 7 - Fórmula Nesta versão, o circuito tem sua saída alternando estados entre o nível alto e baixo de modo a produzir um sinal retangular cuja forma de onda é mostrada na figura 8. 24 Fig. 8 – Sinal retangular do circuito O pulso do sinal de alerta, tem que ser de 1HZ, então os cálculos entre os resistores e o capacitor tem que ter em sua saída um pulso de choque de 5V em 1HZ cumprindo assim o objetivo estipulado para este projeto na figura 9 e logo abaixo seu respectivo cálculo. Fig. 9 – Cálculo do resistor/capacitor 1.4 . (R1+2*R2)*C1 1.4 . (1.000+2*33.000)*0.000 022 0,979HZ 1HZ 25 No semáforo será colocado um potenciômetro para que seja regulado o seu ciclo de acordo o movimento de carros nas vias. O Potenciômetro é um componente eletrônico usada para variar a resistência, pode-se defini-lo como um tipo especial de Resistor. Ou seja, ele é uma resistência elétrica variável (resistor variável). Pode ser utilizando para medir posição, direção, corrente, tensão, etc. O Potenciômetro também serve para ajustar os valores de tensão e corrente de um circuito e dessa forma controlar o valor de entrada, amplificação ou atenuação. Conforme for a aplicação tem resistores de diferentes características, essas se devem a aspectos construtivos, sistema mecânico e as propriedades elétricas dos materiais utilizados na construção do seu elemento resistivo. Fig. 10 Fig. 11 O potenciômetro é uma resistência que pode ser ajustada por intermédio de um cursor, figuras 10 e 11 o qual está em contato com uma resistência ligada a dois terminais. O cursor ou contato móvel tem sua saída ligada ao Terminal Cursor. O Contato móvel do Potenciômetro se desloca do valor zero (ou resistência mínima) ao valor máximo. Os símbolos do Potenciômetro são apresentados na figura 12 (a) e (b): Fig. 12 – Símbolos do Potenciômetro 26 Depois de muita pesquisa e análise, vimos que teríamos que ter um distribuidor destes pulsos para os semáforos, fazendo suas distribuições para cada um e seu objetivo em síncrono de duas vias. Fig. 13 – Contador de décadas Um contador de década (fig. 13) é um circuito digital que evolui seus estadossob o comando de um clock de forma que esses estados reproduzam uma sequência pré- determinada. Contadores digitais são utilizados principalmente para: (i) contagens (ii) divisão de frequências (iii) medição de frequências e tempo É o circuito que efetua a contagem, em números binários, de zero a nove (10 algarismos), ou código BCD. Isso significa seguir uma sequência binária 8421 de 0000 a 1001. Fig. 14 – CI 4017 27 Um contador de década disponível na tecnologia CMOS é o circuito integrado (CI) 4017 na figura 14. Este CI possui uma entrada para clock e 10 saídas. 1.3 CI 4017 Partindo de uma situação inicial em que nenhum pulso é aplicado à entrada (zero) a primeira saída estará em nível alto (high), enquanto que as demais saídas estarão em nível baixo (low). A cada pulso aplicado, a saída correspondente irá a nível alto enquanto que a anterior voltará a zero. Temos então uma operação sequencial de 0 a 10. Os CIs 4017 possuem 10 saídas separadas que vão para nível alto em ordem, conforme mostrado abaixo (fig. 15): Fig. 15 – Saídas e níveis CI 4017 Fonte: Circuitos Lógicos Combinacionais: Simulação utilizando o Proteus - Prof. Reinaldo Squillante Jr – Uninove - Universidade Nove de Julho Apenas uma das saídas individuais é alta por vez. Como pode ser visto, a saída 10 é ALTO para contagens de 0 a 4 e BAIXO para contagens de 5 a 9. 28 3.1.2 Construção da Tabela-Verdade A tabela verdade é um instrumento usado para determinar os valores lógicos das proposições compostas, a partir de atribuições de todos os possíveis valores lógicos das proposições simples componentes. A tabela 1 e 2 apresenta a tabela verdade do ciclo de dois semáforos. Tabela 1: Construção da tabela-verdade Tabela 2: Matriz de correlação de vias 29 3.1.3 Simplificação utilizando Karnaugh Mapa de Karnaugh é um método de simplificação gráfico criado por Edward Veitch (1952) e aperfeiçoado pelo engenheiro de telecomunicações Maurice Karnaugh. Chamamos esse diagrama de mapa, visto este ser um mapeamento biunívoco a partir de uma tabela verdade da função que está a ser analisada. Ele é utilizado para simplificar uma equação lógica ou para converter uma tabela verdade no seu circuito lógico correspondente. Possibilitando a compreensão de qual tipo de porta logica que deveríamos usa, para melhor eficiência. Abaixo nas tabelas 3, 4, 5 e 6 seguem os mapas de Karnaugh e as expressões booleana envolvidas no projeto: Tabela 3: Mapa de Karnaugh 1 1 1 2 2 2 VD AM VM VD AM VM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 2 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 3 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 4 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 5 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 6 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 8 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 9 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 10 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 11 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 12 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 13 1 1 0 1 1 X X X X X X 14 1 1 1 0 1 X X X X X X 15 1 1 1 1 1 X X X X X X N A B C D S 30 3.1.4 Expressão booleana Tabela 4: Mapa de Karnaugh e expressão booleana – Luz Verde Tabela 5: Mapa de Karnaugh e expressão booleana – Luz Vermelha CD CD CD CD CD CD CD CD AB 0 1 1 1 AB 0 0 0 0 AB 1 1 0 0 AB 0 0 0 0 AB 0 0 0 0 AB 1 0 0 0 AB 0 0 0 0 AB 1 1 1 1 S= A C D + A B A (C D B) S= A B C + A C D + A B C A C (B D) + A B C 1 VD 2 VD CD CD CD CD CD CD CD CD AB 0 0 0 0 AB 0 0 1 0 AB 0 0 0 0 AB 1 1 1 1 AB 1 0 0 0 AB 0 0 0 0 AB 1 1 1 1 AB 0 0 0 0 A (C D B) A (C D B) 1 2 VM VM A C D + A B A C D + A B 31 Tabela 6: Mapa de Karnaugh e Expressão booleana – Luz Amarela CD CD CD CD CD CD CD CD AB 0 0 0 0 AB 0 1 1 0 AB 0 0 1 1 AB 0 0 0 0 AB 0 0 0 0 AB 0 0 0 0 AB 0 0 0 0 AB 0 0 0 0 1 2 AM AM A B C A B D 32 3.2 Etapa 2: Validação por simulação 3.2.1 Projeto-exemplo de um circuito sequencial síncrono Um circuito sequencial síncrono pode ser projetado seguindo uma metodologia sistemática conforme descrito em (Wakerly, 2006). Por exemplo, as luzes de um semáforo seguem o diagrama de transição de estados ilustrado na figura condições do problema: Fig. 16 - Wakerly, 2006 A) Quando permanece aberto o sinal (verde) na rua B, os carros transitarão para a saída β/α. B) Quando permanece aberto o sinal (verde) na rua A, os carros transitarão para a saída α/β. C) Quando permanece em alerta o sinal (amarelo) na rua A e B simultaneamente os carros deverão reduzir a velocidade e transitar para o seu destino com segurança. Seguindo paras as ruas β/α.e α/β. As Figuras abaixo representam o cruzamento de duas avenidas de mão única e quatro movimentos possíveis. Os movimentos α e β, assim como os movimentos Sβ/α e Sα/β, possuem a mesma origem, porém destinos diferentes. Na figura 16 vemos o movimento veicular possível em um primeiro sentido. A figura 17 mostra o movimento veicular possível em um primeiro sentindo. Nas figuras 18 e 19 observamos o movimento veicular possível em um segundo sentindo. 33 Fig. 17 – Movimento veicular Fig. 18 – Movimento veicular 34 Fig. 19 – Movimento veicular 3.2.2 Elaboração do circuito esquemático utilizando ISIS-PROTEUS, com base na expressão booleana Segue abaixo a descrição da elaboração do circuito esquemático desenvolvido para obtenção dos resultados esperados na confecção desse projeto: O CI 555 alimentado pela fonte de 5 V e regulado pelo potenciômetro, envia simultaneamente um clock para dois CI 4017 (um para cada semáforo), sendo que eles em cada clock recebido muda a sua porta lógica; O CI 4017 do primeiro semáforo obedece a seguinte sequência lógica: Q0 ao Q3 acende o led verde, o Q4 acende o amarelo e do Q5 ao Q9 acende o led vermelho; O CI 4017 do segundo semáforo obedece a seguinte sequência lógica: da saída do Q0 ao Q4 corresponde ao acendimento da luz vermelha, já do Q5 ao Q8 acenderão a verde e o Q9 acenderá a luz amarela; O potenciômetro controla a quantidade de clocks a serem emitidos pelo CI 555, ou seja, a frequência mais rápida ou mais lenta que vai definir o ciclo de cada semáforo (tempo de acendimento de cada led); Nas saídas dos CIs têm um diodo para que não haja retorno em outra porta, evitando assim o curto circuito; No sinal alto (S1) a porta lógica liga e quando há o sinal baixo (S0) a porta lógica se desliga; 35 O botão “liga/desliga” que aciona os semáforos recebe auxílio do potenciômetro para regular a frequência (tempo) do ciclo do cada um; No botão de manutenção (alerta) não há utilização de potenciômetro, pois emite pulsos de 1 Hz (resultado obtido após o cálculo de resistor e capacitor) fazendo com que o CI 4017 possibilite aos dois semáforos piscar simultaneamente o led amarelo; O terceiro botão permite o “liga/desliga” controla a energia geral. Fig. 20 – Simulação 36 Figura 20 - Simulação (Ampliada) 37 Fig. 21 – Sem bateria para uso no Ares Fig. 22 – Simulação de circuito; ISIS ARES 38 Fig. 23 – Simulação de circuito; ISIS ARES 3D Fig. 24 – Simulação de circuito; ISIS ARES 3D 39 3.2.3 Fonte de alimentação Fig. 25 – Fonte de alimentação Fig. 26 – Diagramade blocos 40 Fig. 27 – Esquema elétrico da fonte de alimentação Fig. 28 – Simulação da fonte 5 V; ISIS-PROTEUS 41 Fig. 29 – Simulação da fonte 5 V; ISIS ARES Fig. 30 – Simulação da fonte 5 V; ISIS ARES 3D Fig. 31 – Simulação da fonte 5 V; ISIS ARES 3D 42 3.2.4 Transformador A rede elétrica fornece um valor fixo de tensão eficaz, o aumento ou a redução desse valor para adequá-lo às necessidades de um projeto é feito por intermédio de um transformador, conforme exibido na figura abaixo: Fig. 32 – Transformador A figura mostra a configuração mais simples do transformador, de onde podemos tirar as principais grandezas elétricas envolvidas: V1 = tensão eficaz de alimentação V2 = tensão eficaz desejada N1 = número de espiras do primário N2 = número de espiras do secundário I1 = corrente eficaz do primário I2 = corrente eficaz do secundário P1 = potência do primário P2 = potência do secundário O princípio de funcionamento é relativamente simples. Ao aplicar ao primário do transformador uma tensão variável no tempo, ela produz também uma corrente variável e fluxo magnético variável. Esse fluxo induz uma tensão no secundário, cuja amplitude pode ser maior, menor ou igual à amplitude da tensão do primário, dependendo unicamente da relação de espiras (para o caso do transformador ideal). 43 O transformador ideal é aquele cuja potência transferida para o secundário é igual à potência desenvolvida no primário, ou seja, P1 = P2. Esse transformador obedece às seguintes leis: 3.2.5 Simulação do circuito Simulação no protoboard em suas fases, nas figuras 33, 34, 35 e 36. Fig. 33 – Simulação Protoboard V1 = I1 = N1 V2 I2 N2 P1 = V1.I1 P2 = V2.I2 44 Fig. 34 - Simulação Protoboard Fig. 35 - Simulação Protoboard 45 Fig. 36 - Simulação Protoboard 3.2.6 Confecção impressa na Placa de Fenolite. Fig. 37 – Placa fenolite 46 3.2.7 Testes na Placa de Fenolite. Nas figuras 38 e 39 vemos o processo de transferência da imagem para a placa de cobre, através de aquecimento. Nas figuras de 40 a 43 observamos o processo de descolamento do papel para a liberação adequada da imagem. Fig. 38 Fig. 39 Fig. 40 Fig. 41 Fig. 42 Fig. 43 47 Na figura 44 foi utilizado ferro industrial para obter uma qualidade melhor durante a transferência da imagem e a preservação das trilhas. Foi observado através de várias tentativas que a aplicação do calor deveria ser aumentada gradualmente, evitando a aplicação direta de alta temperatura para se adquirir o resultado esperado. A figura 45 apresenta o processo de limpeza da placa para remoção dos resíduos de papel. Fig. 44 Fig. 45 Na figura 46 visualizamos a placa pronta após a realização dos procedimentos anteriores, porém, nota-se nas figuras 47 e 48 que as trilhas delineadas ficaram muito próximas, provocando assim interferência entre elas, como o curto circuito. Devido ao problema com as trilhas como citado acima, foi necessário refazer todos os processos anteriores para confecção de nova placa. Na figura 49 já podemos ver a placa aprovada, dentro dos requisitos técnicos necessários para continuidade do projeto. 48 Fig. 46 Fig. 47 Fig. 48 49 Fig. 49 – Placa aprovada 3.2.8 Confecção, furação e corrosão na Placa de Fenolite. Utilizando os recursos disponibilizados pela UNINOVE seguem nas figuras 50 e 51 o processo de furação. Fig. 50 - Furação Fig. 51 - Furação 50 Nas figuras 52 e 53 vemos a realização da corrosão da placa com o Percloreto de Ferro. Fig. 52 Fig. 53 3.2.7 Soldagem dos componentes eletrônico Placa de Fenolite. Fig. 54 Fig. 55 Fig. 56 51 Durante a soldagem foi utilizado um suporte para auxiliar na movimentação da placa, conforme mostram as figuras de 54, 55 e 56. Nas figuras de 57 a 61 constatamos a montagem dos dispositivos na placa. Fig. 57 Fig. 58 Fig. 59 Fig. 60 Fig. 61 52 3.2.8 Maquete do projeto finalizado Fig. 62 Fig. 63 Fig. 64 Fig. 65 Fig. 66 53 4. TABELA DE CUSTOS Abaixo segue a tabela macro de custos para a realização de todo o projeto, incluindo os protótipos e testes que não atingiram satisfatoriamente os requisitos estabelecidos. Descrição Quantidade Unidade Valor Individual R$ Valor Total R$ Diodo 1N4007 60 Peças 0,05 3,00 Percloreto de Ferro 01 Litro 17,00 17,00 Placa de Fenolite 03 Peça 4,00 12,00 Chave Tripolar 02 Peça 3,40 6,80 Led 5mm Vermelho 02 Peça 0,15 0,30 Led 5mm Amarelo 02 Peça 0,15 0,30 Led 5mm Verde 02 Peça 0,15 0,30 Led 10mm Vermelho 02 Peça 0,35 0,70 Led 10mm Amarelo 02 Peça 0,35 0,70 Led 10mm Verde 02 Peça 0,35 0,70 Transformador 110/220 Volts para 12 Volts 200 mA 01 Peça 18,00 18,00 Resistor 1K 24 Peça 0,05 1,20 Resistor 2K 04 Peça 0,10 0,40 Resistor 39 K 04 Peça 0,10 0,40 Resistor 33 K 04 Peça 0,10 0,40 Caixa Patola 35X55 02 Peça 2,40 4,80 Potenciômetro 50 K 02 Peça 1,20 2,40 Capacitar 2200Uf/25 Volt 02 Peça 0,25 0,25 Capacitor 2,2uF/ 16V 02 Peça 1,20 2,40 Capacitor 47uF/ 25 V 02 Peça 1,50 3,00 Capacitor de Cerâmica 100nF 04 Peça 0,33 1,32 Circuito Integrado 4017 08 Peça 1,40 11,20 Circuito Integrado 555 07 Peça 8,40 8,04 Fio para os contatos 02 Metro 10,00 20,00 Circuito Integrado 7805 02 Peça 0,90 1,80 Porta Fusível 01 Peça 1,50 1,50 Fusível de Vidro 1 Amp. 05 Peça 0,25 1,25 Papel Fotográfico A4 01 Pacote 15,80 15,80 Caixa Patola PB 119 01 Peça 48,00 48,00 Suporte para Placa 01 Peça 20,00 20,00 Placa Protoboard 01 Peça 70,00 70,00 TOTAL R$ 273,96 Tabela 7: Tabela macro de custos 54 4.1 Tabela de Custos Oficial do Projeto A tabela de custos abaixo consta o valor real do projeto final. Descrição Quantidade Unidade Valor Individual R$ Valor Total R$ Diodo 1N4007 33 Peças 0,05 1,65 Percloreto de Ferro 01 Litro 17,00 17,00 Placa de Fenolite 01 Peça 4,00 12,00 Led 10mm Vermelho 02 Peça 0,35 0,70 Led 10mm Amarelo 02 Peça 0,35 0,70 Led 10mm Verde 02 Peça 0,35 0,70 Transformador 110/220 Volts para 12 Volts 200 mA 01 Peça 18,00 18,00 Resistor 1K 2 Peça 0,05 0,10 Resistor 33 K 01 Peça 0,10 0,10 Caixa Patola 35X55 mm 02 Peça 2,40 4,80 Potenciômetro 50 K 01 Peça 1,20 1,20 Capacitar 2200 Uf/25 Volt 02 Peça 0,25 0,50 Capacitor 2,2uF/ 16V 01 Peça 1,20 1,20 Capacitor 47uF/ 25 V 01 Peça 1,50 1,50 Capacitor de Cerâmica 100nF 01 Peça 0,33 0,33 Circuito Integrado 4017 03 Peça 1,40 4,20 Circuito Integrado 555 02 Peça 8,40 16,80 Circuito Integrado 7805 01 Peça 0,90 1,80 Papel Fotográfico A4 01 Pacote 15,80 15,80 Caixa Patola PB 119 01 Peça 48,00 48,00 Suporte para Placa 01 Peça 20,00 20,00 Fio paraos contatos 02 Metro 10,00 20,00 TOTAL R$ 187,08 Tabela 8: Tabela de custos do projeto 55 5. DISCUSSÃO No desenvolvimento do projeto, durante a simulação inicial no ISIS-PROTEUS todas as práticas inseridas trouxeram resultados satisfatórios, porém, durante a evolução dos testes enfrentamos algumas dificuldades na montagem do circuito no Protoboard. Executamos a montagem do circuito idêntico ao simulado no software ISIS-Proteus e detectamos alguns problemas que não se apresentaram inicialmente, sendo eles: Falha na sincronia dos led’s para o semáforo eletrônico, porém o problema foi solucionado com a remontagem do circuito e detecção de mau contato nas trilhas do protoboard; Problema de voltagem da fonte de alimentação, pois no início estávamos utilizando uma fonte de 12 Volts que atendeu a maioria dos testes em bancada, mas gerou um defeito no circuito de emergência, apresentando falha no intervalo do ciclo, pois o capacitor não conseguia tempo para descarregar com o clock do ci 555 e realizar um novo ciclo. Esse problema foi solucionado após a implementação da fonte de alimentação de 5 Volts para estabilização do circuito. Falta de prática da equipe com os componentes para montagem do projeto e instrumentos de medição, já que não possuíamos habilidades para manuseio dos mesmos. Para sanarmos essa deficiência foi necessário muito estudo complementar, pesquisas e materiais de apoio. O protoboard apresentou falhas em duas trilhas provando curto circuito no ci 4017. Para correção foi necessário trocar o ci e recolocar em outras trilhas. Houve retorno de energia dos ciclos de alerta para os ciclos normais de transição. Para correção foi acrescentando dois diodos na saída do pulso de alerta; Dificuldade para transferência da imagem impressa para a placa de cobre. Situação resolvida durante as experiências realizadas com diferentes modos, métodos e temperaturas; 56 Curto circuito por falha na impressão das trilhas que estavam muito próximas. Foi sanado após refazer os desenhos das trilhas com linhas mais finas e espaçamento maior entre elas. 57 6. CONCLUSÃO O desenvolvimento desse projeto foi uma experiência bastante enriquecedora ao grupo, pois entre erros e acertos obtivemos os resultados esperados. Tivemos a oportunidade de desenvolver, projetar e conceber a construção do protótipo proposto para explicar a funcionalidade de um controlador de tráfego de veículos em um cruzamento de vias, baseado em sinalização semafórica. Portanto, propiciou a ampliação de conhecimentos, competências e habilidades referentes às disciplinas estudadas nos semestres anteriores e do semestre letivo, além de nos incentivar a pesquisa de novos conhecimentos, prática essa executada com bastante com frequência para superação dos conhecimentos adquiridos ao longo da vida acadêmica. Todos os requisitos estabelecidos para realização do trabalho e projeto foram realizados satisfatoriamente, sendo eles: Apresentação escrita; Projeto e simulação do Circuito Eletrônico; Desenvolvimento e montagem do protótipo; O circuito do projeto apresentado em forma de protótipo; Conter um botão liga/desliga dos dois semáforos simultaneamente; Conter 2 LEDs indicativos das cores vermelha, amarela e verde. 1 LED para cada semáforo do cruzamento de vias; Conter um botão liga/desliga para simular falha simultânea dos dois semáforos. Quando o botão estiver desligado (nível lógico “0”) os dois semáforos funcionam normalmente. Caso contrário, ou seja, quando o botão estiver ligado (nível lógico “1”) somente as lâmpadas amarelas dos dois semáforos e que piscam com frequência de 1Hz. Deve funcionar com bateria e/ou com alimentação 110/220V; Apresentação final em placa fenolite; Demonstração em vídeo de 1 a 5 minutos da montagem do projeto, testes e destaque para a apresentação do funcionamento do circuito. 58 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (GASPAR, Alberto. Física - Volume Único. Editora Ática. / http://www.infoescola.com/fisica/calorimetria/) http://www.sofisica.com.br/conteudos/FormulasEDicas/formulas7.php http://www.coladaweb.com/fisica/termologia/calorimetria http://www.sinaldetransito.com.br/artigos/uso_e_parametrizacao_de_semafor os_atuados_%20pelo_trafego.pdf http://www.univasf.edu.br/~romulo.camara/aulas/Elet_Digital/Aula6_mapa_de _Karnaugh.pdf http://www.inf.ufes.br/~zegonc/material/Introducao_a_Computacao/Aula%205 %20-%20Mapas%20de%20Karnaugh.pdf http://www.ufjf.br/daniel_silveira/files/2011/06/aula_4.pdf http://www.estgv.ipv.pt/paginaspessoais/ffrancisco/sd0506/05km.pdf https://www.google.com.br/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=11&c ad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj5jI75z77MAhXGfpAKHaiCDzU4ChAWCBwwA A&url=http%3A%2F%2Fwww.geocities.ws%2Fmoisescsilva%2Fapostilaexpta bela.doc&usg=AFQjCNEVuz6XP3iO99G2O15f5AQX- 9GKUQ&sig2=0Za3CrXReHreypEZb2EXpA http://dcm.ffclrp.usp.br/~augusto/teaching/aba/AB-Algebra-Boole- Simplificacao-Circuitos.pdf http://docslide.com.br/documents/tcc-semaforo-digital.html http://www.sabereletronica.com.br/artigos/2446-conhea-o-circuito-integrado- 555 http://bianchi.pro.br/logicamat/logicamatematica.php
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