Projeto I - Contador de Eventos

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Av. Gen. Rodrigo Otávio, 3000 – Coroado – Manaus – AM
Engenharia Elétrica em Telecomunicações
LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DIGITAL
PROJETO I: 
CONTADOR DE EVENTOS
MANAUS
Dezembro de 2013
LUCAS BELTRÃO CAVALCANTE TRIBUZY 		21200201
NILO EDSON MENEZES DA SILVA 			21200380
PROJETO I: 
CONTADOR DE EVENTOS
Relatório referente à disciplina de Laboratório de Eletrônica, constando como nota parcial do corrente período para o Curso de Engenharia Elétrica, na Universidade Federal do Amazonas.
PROFESSOR: MIGUEL GRIMM
MANAUS
Dezembro de 2013
INTRODUÇÃO 
	O objetivo geral desta atividade laboratorial é realizar o estudo, a análise, o projeto, a simulação e a inplementação em protoboard e testes do projeto de um circuito de interfaceamento usando somente flip-flops e portas lógicas. 
Observação: Toda a documentação atrelada a esse relatório pode ser encontrada no seguinte link: http://sdrv.ms/1d0yS8P. 
Nesse link, pode-se encontrar arquivos em formato *.pdf de datasheets dos componentes utilizados nesse projeto, imagens dos diagramas lógicos, arquivos de simulação e, inclusive, a versão digitalizada deste próprio relatório. 
REQUISITOS E RESTRIÇÕES DO PROJETO 
Alguns requisitos: 
O Circuito deve contar os números ímpares de 1 a 15, em ordem crecente, e para cada contagem realizada as informações são fornecidas através de LEDs indicadores. 
A mini buzina inicia a emissão de som quando a contagem atinge o valor 15, sendo desativada somente quando um botão de desliga é pressionado. 
Quando o circuito é energizado ou quando o botão de Stop é pressionado, a contagem do circuito vai para o valor 1. 
Algumas restrições: 
Os únicos componentes disponíveis são Flip-Flops, Portas Lógicas convencionais, Schimitt Triggers, LED’s, Minibuzinas, transistores, resistores, capacitores, chaves e botões. 
A alimentação DC do circuito é fornecida externamente. 
Deve-se usar o mínimo de componentes eletrônicos possível, principalmente circuitos integrados. 
CONCEITOS INICIAIS – SISTEMA EM “CAIXA PRETA”
Como foi dito no campo dos requisitos do projeto, o sistema precisaria ter entradas para as funções requeridas. O usuário deve ser capaz de ter controle sobre a contagem, controle para zerar a contagem quando lhe convenha e, ainda, desativar o alarme quando ele bem entender. Mas o sistema também deve informar ao usuário o seu estado da contagem atual e quando o usuário extrapola essa contagem, utilizando o alerta sonoro. Desse modo, imaginamos um sistema de caixa preta como segue abaixo. 
Figura 1.1 – Sistema de Caixa Preta do Contador de Eventos.
De maneira resumida, temos 3 botões de entrada, 4 saídas de LEDs e uma saída de alerta sonoro. Cada botão para um tipo único de controle e as saídas conforme o solicitado na atividade laboratorial.
ARQUITETURA DO SISTEMA – ANÁLISE TOP DOWN
Fazendo uma análise um pouco mais generosa em como o sistema vai funcionar, segue a abordagem Top-Down para o Circuito do Contador de Eventos. 
Figura 1.2 – Sistema da Arquitetura do Contador de Eventos.
Pensamos em criar, generalizadamente, 4 instâncias essenciais para o circuito. Inicialmente, para poder contar os eventos, o circuito necessariamente deve possuir um contador embutido em sua arquitetura interna. Para ativar a buzina quando a contagem estoura, e para que a buzina permaneça ativada depois da identificação da última contagem, precisa-se de algum circuito que registre o estado e somente altere-o quando for para desligar a buzina. Os 4 LEDs precisam de uma arquitetura própria dentro do Contador de Eventos. E, por fim, os botões precisam de um circuito debounce para evitar trepidações do sinal quando o usuário clicar no botão. Claro, cada botão precisa de seu circuito próprio. 
DIAGRAMA LÓGICO DETALHADO DO SISTEMA 
Pois bem, depois de olhar de forma geral as necessidades do circuito, pôde-se chegar a uma montagem final de arquitetura lógica prática e otimizada para usar poucos recursos. 
Figura 1.3 – Diagrama Lógico de todo o circuito contador de eventos.
No total, foram usados 3 Flip-Flops JK para o Contador de ímpares, 1 Flip-Flop JK como módulo simples de registro e uma porta AND de 3-pinos para identificar o número máximo de contagem e fornecer a informação de que a contagem estourou. Basicamente, um flag para acionar a buzina de alerta. 
O circuito contador foi bastante observado e pôde ser otimizado de forma satisfatória. 
Figura 1.4 – Circuito Contador.
Na figura 1.5 vemos a tabela verdade da função que é requisito para o circuito. De cima para baixo, vemos o ciclo das transições dos números ímpares de 1 à 15. Rapidamente, percebe-se que Q0 sempre se mantém em nível lógico 1. Portanto, pode-se economizar um Flip-Flop e utilizar outros 3 para seguir a ordem natural de contagem de módulo 8, fazendo-os contar de 0 a 7 e colocando Q0 como bit menos significativo teremos sempre um número ímpar e, de modo prático, uma sequência crescente dos valores. Muito propício para se utilizar no projeto. 
Logo, utilizamos um contador assíncrono para economizar na lógica de transição, não precisando utilizar de mais recursos para fazer o contador. As entradas CLEAR dos Flip-Flops foram utilizadas para implementar os circuitos de reset para o contador. O botão de contagem foi colocado no CLOCK do primeiro Flip-Flop e assim pode fazer a contagem de forma satisfatória. Assim, o Contador de Ímpares foi feito utilizando-se um arranjo assíncrono de Flip-Flops JK contando em módulo 8 e deixando um LED sempre aceso. O circuito final pode ser conferido na figura 1.4. 
	Q3 
	Q2 
	Q1 
	Q0 
	0 
	0 
	0 
	1 
	0 
	0 
	1 
	1 
	0 
	1 
	0 
	1 
	0 
	1 
	1 
	1 
	1 
	0 
	0 
	1 
	1 
	0 
	1 
	1 
	1 
	1 
	0 
	1 
	1 
	1 
	1 
	1 
Figura 1.5 – Tabela-Verdade do contador assíncrono.
O circuito registrador foi ainda mais simples pois precisa-se apenas de um único modulo de registro para assegurar que a buzina permaneça ativa até que se aperte o botão de parada. Para isso, utilizou-se um único Flip-Flop JK como um módulo de registrador para garantir que a buzina permaneça ligada até que o usuário aperte o botão de parada da buzina. O circuito registrador de ativação da buzina pode ser visto na figura 1.6. 
Figura 1.6 – Circuito Registrador.
O circuito registrador e o circuito contador compõem a parte puramente lógica do projeto do Contador de Eventos. São a parte mais simples de idealizar em circuitos sequenciais. 
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E MECÂNICAS 
Na figura 1.7, pode-se observar a simulação do circuito físico no Multisim. Foram implementados, além do Circuito Contador e do Circuito Registrador, os Circuitos Debounce e o barramento para os LEDs. 
Figura 1.7 – Diagrama Lógico para as características técnicas do circuito. 
O circuito ideal para operar de modo satisfatório o funcionamento dos LEDs pode ser visto na figura 1.8. Basicamente, os LEDs são deixados em curto quando as saídas estão desativadas. Quando as saídas se ativam em nível lógico baixo, a malha se completa e a corrente passa pelo LED, acendendo-o. Os LEDs são conectados às saídas dos Circuito Contador para indicar o status da contagem. 
Figura 1.8 – Associação de LEDs ao fim do Circuito Contador.
Já os Circuitos Debouncing, idealizados na figura 1.9, para cada botão do projeto, são implementados como mostra a simulação. Basicamente, o botão, quando ativado, leva 0 para a entrada desejada, produzindo, consequentemente, uma borda de descida. Assim, dependendo da arquitetura do sistema lógico, podem ser implementadas de várias maneiras. 
Figura 1.9 – Circuito típico de debouncing para um botão.
Assim, conclui-se a apresentação das características elétricas e mecânicas do projeto do Contador de Eventos. 
CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS 
O circuito pode funcionar sob quaisquer condições que os CIs suportem, seja detemperatura, velocidade ou até limitações lógicas da arquitetura interna de cada Circuito Integrado. 
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO 
A simulação foi montada conforme mostrado na figura 1.7 e o resultado na simulação foi justamente o esperado e requisitado no começo da proposta da atividade laboratorial. Para cada pressão no botão de contagem, o contador levava o número atual para o próximo ímpar e assim sucessivamente até que a contagem estoure e acione o registrador da buzina, terminando por ativá-la. Assim, de acordo com as configurações pré-estabelecidas pelo projeto do circuito, a buzina permanecerá ativada até que seja pressionado o botão de parada da buzina. 
Além disso, o botão de CLEAR dos Flip-Flops pode ser acionado e resetar o circuito contador de qualquer ponto que ele esteja. 
COMPONENTES UTILIZADOS 
Foram utilizados para este projeto apenas 4 Circuitos Integrados (74LS00, 74LS14 e 74LS107N), 8 resistores de 100ohms, 3 capacitores de 1µF, 3 botões, 4 LEDs e uma buzina DC. 
Abaixo a pinagem dos CIs. 
Figura 1.6 – CI 74LS107A Dual J-K Flip-Flops with Clear.
Figura 1.7 – CI 74LS00 Quad 2-Input NAND.
Figura 1.8 – CI 74LS14 Hex Schimitt Trigger Inverter.