Semáforo de Cruzamento

Este é um dos projetinhos de eletrônica digital que desenvolvemos no ínicio do curso. Porém eu dei uma modificada para deixar mais interessante a proporção do tempo de cada estado do semáforo. São dois semáforos de 3 estados(siga, atenção e pare) indicados por LEDs coloridos(verde, amarelo e vermelho).

Para entender como ele foi desenvolvido, é interessante que saiba aplicar a técnica de mapas de Karnauhg, conheça o contador 4029 e as portas lógicas. Esse tutorial não visa explicar estes assuntos.

Antes, algumas específicações

O nosso circuito vai ser alimentado por +5v corrente contínua. E os materiais abaixo são baseados nessa alimentação:

• 2 LEDs vermelhos, 2 LEDs amarelos, 2 LEDs verdes.
• 6 resistores de 220Ω se usar LEDs comuns ou 6 resistores de 2kΩ caso use LEDs de alto brilho. 1/4w.
• 1 CI 4069 (6 portas inversoras).
• 1 CI 4081 (4 portas AND de duas entradas).
• 1 CI 4073 (3 portas AND de três entradas).
• 1 CI 4071 (4 portas OR de duas entradas).
• 1 CI 4029 (contador dec/bin, up/down 4 bits com preset)

Se for usar o oscilador feito com o 555

• 1 resistor 1kΩ, 1 resistor de 10kΩ e 1 resistor de 470kΩ. 1/4w
• 1 capacitor eletrolítico de 22uF / 16v.

*Pode usar 3 pilhas comuns(1.5v cada, o que vai dar 4.5v) como alimentação

Oscilador: a base de tempo

Primeiro, precisamos de um oscilador para gerar a base de tempo para o nosso semáforo. Ele será usado como clock para o contador que usaremos.

Decidimos usar como clock, um oscilador feito com o temporizador 555 configurado como astável. Você pode usar outro oscilador, mas vamos montar o circuito nesse tutorial usando o 555. Você pode aprender algumas coisas sobre esse temporizador nessa postagem que o Marcus escreveu:

Temporizador 555

Contador: montando sequência do semáforo

Faremos com que o semáforo mude de estado conforme a saída de um contador. Assim podemos montar uma table para que cada "passo" do contador nós podemos definir o que o semáforo mostrará. Como é um semáforo de cruzamento, na verdade serão dois semáforos com comportamento de certa forma contrários: enquanto um indica ao motorista que ele poder seguir, o outro deve indicar para que o motorista pare. Então nossa tabela vai ter uma linha para cada passo do contador e outras colunas mostrando qual deve ser o estado - quais luzes devem apagar ou acender - do semáforo em cada caso. Quando visualizar a tabela ficará mais fácil entender.

O contador que usaremos é o 4029. Caso não o conheça, dê uma olhada nessa postagem: Contador 4029.

Não usaremos o preset, então coloque todas as JAM inputs e o pino de preset em nível lógico 0. Deixe o pino de Carry In/Clock Enable em nível lógico 0 para habilitar a contagem. O contador deve trabalhar de forma crescente e no modo binário, então os pinos DEC/BIN e UP/DOWN devem ter nível lógico 1. Ligue a saída do seu oscilador na entrada de clock do contador. Como não iremos usar a saída Q3 do contador, nem a saída do carry out, NÃO ligue as nada(se aterrá-las, por exemplo, você pode queimar o CI).

Então, temos 2 semáforos, cada semáforo tem 3 LEDs(verde, amarelo e vermelho). O nosso contador tem 4 bits de saída, mas vamos usar apenas 3, por que fica mais compacto do que usando os 4 bits e porque 3 bits já nos permite dar uma boa proporção de tempo entre cada cor do semáforo. Vamos à tabela que falei:

Contador			Semáforo 1			Semáforo 2
Q0	Q1	Q2	Vermelho	Amarelo	Verde	Vermelho	Amarelo	Verde
0	0	0	1	0	0	0	0	1
0	0	1	1	0	0	0	0	1
0	1	0	1	0	0	0	0	1
0	1	1	1	0	0	0	1	0
1	0	0	0	0	1	1	0	0
1	0	1	0	0	1	1	0	0
1	1	0	0	0	1	1	0	0
1	1	1	0	1	0	1	0	0

*Perceba que não estamo usando o quarot bit(Q3) do contador.

Cada linha da tabela diz que valor de nível lógico deve ter na entrada de cada LED. Observe que em cada linha, para um mesmo semáforo, só existe um LED aceso. Também é possível observar em cada passo, que o LED aceso em um semáforo é diferente do outro e que ao decorrer da sequência, em ambos os semáforos, nenhum LED deixou de acender. Perceba também a proporção de vezes que cada LED(cada cor) acende durante a sequência, por exemplo, se observarmos no semáforo 1 o LED vermelho fica 4 passos acesos, o amarelo fica apenas 1 e o verde fica durante 3, ou seja, o vermelho é o que fica mais tempo aceso, depois vem o verde e por último o amarelo, sendo que o tempo do vermelho é a soma dos tempos do amarelo e do verde. Mas o tempo que os LEDs vão permanecer ligados depende de um cálculo feito com o que acabamos de ver e base de tempo gerado pelo oscilador.

Lógica: fazendo com que os LEDs obedeçam a sequência

A tabela deve ter esclarecido boa parte do que precisamo fazer, mas resta a pergunta: "Como fazer acender ou apagar os LEDs usando as saídas do contador?". Para isso vamos usar as portas lógicas. Usando-as vamos aplicar uma lógica nas saídas do contador para obtermos as saídas que precisamos nos "passos" que precisamos. Para criarmos as lógicas necessárias vamos usar uma técnina conhecida como mapas de Karnaugh ou simplesmente Karnaugh. Com ela conseguimos desenvolver expressões lógicas simplificadas. Esse tutorial, como já foi dito, não irá ensinar a técnica.

Nós vamos bolar as expressões lógicas pensando em cada LED de cada semáforo. Então devemos analisar para cada semáforo e para cada cor, em quais passos estarão acesos para montar os mapas de Karnaugh.

Semáforo 1

Vermelho
Q0\Q1Q2	00	01	11	10
0	1	1	0	0
1	1	1	0	0

Vermelho = Q0'

Amarelo
Q0\Q1Q2	00	01	11	10
0	0	0	0	0
1	0	0	1	0

Amarelo = Q0.Q1.Q2

Verde
Q0\Q1Q2	00	01	11	10
0	0	0	1	1
1	0	0	0	1

Verde = Q0.Q1' + Q0.Q2'

Semáforo 2

Vermelho
Q0\Q1Q2	00	01	11	10
0	0	0	1	1
1	0	0	1	1

Vermelho = Q0

Amarelo
Q0\Q1Q2	00	01	11	10
0	0	0	0	0
1	0	1	0	0

Amarelo = Q0'.Q1.Q2

Verde
Q0\Q1Q2	00	01	11	10
0	1	1	0	0
1	1	0	0	0

Verde = Q0'.Q1' + Q0'.Q2'

Agora basta ligar os resultados(saídas) dessas expressões aos seus respectivos LEDs.

*Não esqueça de ligar um resitor(220Ω para LED comum e 2kΩ para de alto brilho) em série com o ânodo do LED. Aterre o cátodo do LED.

O circuito pronto

Entendendo ou não o tutorial, experimente montar o circuito abaixo e veja o resultado.

Finalizando

Espero que tenham gostado do tutorial, e se não entenderam algo podem perguntar usando o comentário.

Esse fim de semana vou fazer um video tutorial para complementar esse texto.Também pretendo escrever uma postagem explicando mapas de Karnaugh. Então, aguardem!