Laboratorio N°4

Circuitos Digitales.

Laboratorio N°4:

PROYECTO DE AUTOMATIZACIÓN Y/O
SEGURIDAD ELECTRÓNICA

1. COMPETENCIA ESPECIFICA DE LA SESIÓN:

• Identificar las aplicaciones de la Electrónica Digital.
• Describir el funcionamiento de las unidades y dispositivos de almacenamiento de información.
• Implementar circuitos de lógica combinacional y secuencial.

2. Planteamiento del problema a solucionar.

El problema que nos hemos propuesto a solucionar es la automatización de un caldero industrial empleando la electrónica digital, de manera que podamos recrear el funcionamiento de ciertas partes que ya tienen muchos en industria, pero usando puertas lógicas.

3. Objetivos

1. Diseñar un circuito que cumpla con las especificaciones designadas por nosotros, de manera que se acerque al funcionamiento que se desea.

2. Fabricar el impreso del circuito previamente diseñado.

3. Implementar una maqueta que permita recrear el funcionamiento que estamos buscando, con imágenes e indicadores que nos ayuden a corroborar eso.

4. PROCEDIMIENTO

4.1. Enunciados a resolver.

Primero se pasa a realizar enunciados que identifiquen las acciones que deberá tomar el circuito a la hora de presentarse ciertas condiciones; estos enunciados son:

• Cuando el nivel del tanque este vació, el circuito accionará una válvula, que permitirá su llenado, pero antes, si el tanque de condensado se encuentra en un nivel deseado, este pasara a llenar el tanque principal, pero si esta vació o muy por debajo del nivel deseado, se abrirá la válvula de alimentación externa, para llenar el tanque con suministro de afuera. 
• Si el circuito detectase alguna falla, este pasara a bloquear la interacción del llenado del tanque, hasta que la falla se resuelva.
• La primera falla es el error de encendido, si el circuito detecta que no hay llama, pero si hay gas, este avisara de un posible desperfecto en el mecanismo de ignición.
• La segunda falla es falta de gas, si se da el caso de que no hay llama ni gas, se indicara la falta de este combustible.
• Y la tercera falla, si el circuito detecta sobre presión, se activara un aviso que indique lo que esta pasando.
• Las tres fallas tienen indicadores característicos y siempre bloquean la interacción del llenado del tanque.
• Siempre que haya llama el circuito funcionará, no se considera la posibilidad de que haya llama pero no gas, pero la detección de sobre presión bloqueara el circuito, así haya llama o no.

4.2 Armado de la tabla de Karnaugh.

Primero abrimos el simplificador online, introducimos los datos y anotamos los resultados, hicimos el desarrollo de la tablas por parte, de manera que facilito su resolución, primero pusimos todas las fallas como una sola, como indican en los enunciados, ya que estas siempre bloquean al llenado del tanque, después resolvimos las fallas una a una con tablas independientes, en el video se puede dar un vistazo mas detallado del proceso.

La primera tabla toma como A la entrada de las fallas, B el sensor de nivel del tanque principal y C el secundario, la salida es la válvula del tanque principal.

La segunda tabla nos muestra lo mismo que la primera, solo que la salida es para el llenado por medio del tanque de condensado.

Es la salida de señal de fallas, sea cual sea la falla, se bloqueará el circuito principal.

Esta tabla muestra la salida para la falla de encendido, con las variables A como sensor de flama y B como sensor de gas.

Esta tabla muestra la salida para la falta de gas, con las variables A como sensor de flama y B como sensor de gas.

Recordar que en presencia de gas o flama los sensores están en 0 lógico, y los sensores de nivel están en 1 lógico si están llenos.

5. EVIDENCIA DE TAREAS EN LABORATORIO:

Editado en Camtasia versión 9.1.

6. OBSERVACIONES:

1. Al hacer los impresos, debido a que la separación de las pistas era muy pequeña, se presentaron problemas de cobre uniendo pistas que no debían estar juntas, de manera que se procedió a limpiar cada contorno y a revisar pista a pista que estas no chocaran.

2. Algunas puertas lógicas se dañaron por el problema antes mencionado, se procedió a cambiarlas.

3. Al armar por primera vez el circuito, todas las salidas estaban invertidas, ya que no se habían medido los sensores y sus salidas digitales.

7. CONCLUSIONES:

1. Al terminar la sesión, Se logro aplicar la electrónica digital/combinacional a un caso real, de manera que se resolvió y se familiarizo mejor con el uso de compuertas lógicas en diversos campos.

2. Se logro armar un circuito impreso que logro resolver el problema planteado, el circuito esta echo de manera que pueda ser usado en proyectos futuros.

3. Se logro crear la maqueta que representaba el funcionamiento del circuito propuesto, de manera que nos permitía enseñar a los demás su funcionamiento de manera sencilla.

8. FOTO GRUPAL:

Laboratorio N°3

Circuitos Digitales.

Laboratorio N°3:

Sensores y actuadores digitales.

1. COMPETENCIA ESPECIFICA DE LA SESIÓN:

• Conocer el funcionamiento de los Sensores digitales.
• Conocer el funcionamiento de los Actuadores digitales.
• Diseñar un sistema de Automatización.

2. MARCO TEÓRICO:

2.1. Sensores y Actuadores Digitales:

2.1.1. Sensor de Agua:

Por diferentes razones, no es raro necesitar detectar si hay presencia de agua en un lugar. Puede ser porque queremos saber si ha habido un escape de agua, o para saber si hay condensación en una cierta zona, y muy frecuentemente nos viene bien conocer el nivel de un líquido en un depósito

En el mundo Arduino se comercializan unos detectores de agua muy baratos y simpáticos, que nos pueden servir para todas estas cosas, siempre y cuando seáis conscientes de que la calidad de estos detectores baratos es limitada.

2.1.2. Sensor de Flama:

Un sensor de llama óptico es un dispositivo que permite detectar la existencia de combustión por la luz emitida por la misma. Esta luz puede ser detectada por un sensor óptico, y ser capturado por las entradas digitales y las entradas analógicas de Arduino.

La llama es un fenómeno de emisión de luz asociado a los procesos de combustión.
Este sensor se encuentra muy frecuentemente encapsulado con un soporte y un potenciómetro para ajustar la sensibilidad, por poco dinero. Incluso se vende en formato múltiple, con varias cabezas apuntando en distintas direcciones

2.1.3. Sensor de sonido:

El sensor de sonido KY-038,es un tipo de sensor tiene montura Keyes para facilitarnos el montaje.

1. En el centro tenemos la conexión a 5V y a GND (+ y G).
2. D0 es una salida digital que actúa a modo de comparador. Si el sonido captado por el micrófono supera un determinado nivel se pone a HIGH.
3. A0 es una salida analógica que nos da un valor entre 0 y 1023 en función del volumen del sonido. 

Además tenemos dos LEDs, uno que nos indica si hay alimentación en el sensor y otro que se ilumina si D0 está a HIGH.

2.1.4. Sensor de proximidad:

Un detector de obstáculos infrarrojo es un dispositivo que detecta la presencia de un objeto mediante la reflexión que produce en la luz. El uso de luz infrarroja (IR) es simplemente para que esta no sea visible para los humanos.

Los detectores de obstáculo suelen proporcionarse con una placa de medición estándar con el comparador LM393, que permite obtener la lectura como un valor digital cuando se supera un cierto umbral, que se regula a través de un potenciómetro ubicado en la placa.

2.1.5. Sensor de gas:

Los sensores de gas de la serie MQ son sensores analógicos por lo que son fáciles de implementar con cualquier microcontrolador.
Estos sensores son electroquímicos y varían su resistencia cuando se exponen a determinados gases, internamente posee un calentador encargado de aumentar la temperatura interna y con esto el sensor pueda reaccionar con los gases provocando un cambio en el valor de la resistencia. El calentador dependiendo del modelo puede necesitar un voltaje entre 5 y 2 voltios, el sensor se comporta como una resistencia y necesita una resistencia de carga (RL) para cerrar el circuito y con este hacer un divisor de tensión y poder leerlo desde un microcontrolador.

2.1.6. Sensor Magnético:

Un sensor magnético, en este caso uno de apertura, es un sensor con un encapsulado con un reed switch adentro, y con un imán en otro encapsulado separado.

Un reed switch es un elemento que consta de una capsula de vidrio conteniendo un par de contactos metálicos en su interior y un par de terminales que permiten acceder a conectar dichos contactos. Estos contactos normalmente están eléctricamente aislados el uno del otro. Cuando un campo magnético de la magnitud adecuada se acerca, estos contactos se cierran. Existen reed switches NA, NC y combinado (C, NA y NC).

2.1.7. Módulo Relay:


Un relé es un interruptor que podemos activar mediante una señal eléctrica. En su versión más simple es un pequeño electro-imán que cuando lo excitamos mueve la posición de un contacto eléctrico de conectado a desconectado o viceversa.

Por lo general los reles necesitan de baja potencia para excitar la bobina, pero un microcontrolador o una compuerta lógica se quedarían cortos, por lo que se usa el siguiente diagrama para apoyarlos.

3. PROBLEMA PROPUESTO:

Se pasó a analizar el siguiente circuito propuesto en el laboratorio.

Entonces se paso a analizar la tabla de verdad de la compuerta NAND.

Se vio que si las dos entradas estaban conectadas (tenian el mismo valor) se podia deducir que se comportaba como una compuerta NOT.

Por lo que se armo la siguiente tabla de verdad.

Entonces, por lo que se puede ver, el resultado final se comporta como si fuera una sola compuerta AND.

A continuación en la EVIDENCIA DEL LABORATORIO, al final del video se puede ver el circuito funcionando de manera real.

4. EVIDENCIA DE TAREAS EN LABORATORIO:

Editado en Camtasia versión 9.1.

5. OBSERVACIONES:

1. Algunos cables pin a pin empleados en el laboratorio no entraban de manera correcta en las tomas de tensión del módulo, por lo que se procedió a ubicarlos de manera que no se salgan a la hora de mover los sensores, pero que tampoco dañase las tomas de los módulos.

2. El sensor de gas parecía estar alterado, ya que en ocasiones funcionaba pero su salida reaccionaba de manera muy retardada.

3. Se procedió a realizar las conexiones de todos los sensores de manera cautelosa, para evitar una polarización inversa o un corto a sus salidas.

6. CONCLUSIONES:

1. Al terminar la sesión, Se logro conocer acerca de diversos tipos de sensores digitales, su funcionamiento y el como emplearlos en el ámbito laboral o cotidiano.

2. Reconocimos los diversos tipos de modelos que un sensor puede llegar a tener, investigamos sus conexiones y sus principios de funcionamiento, por ejemplo, el modulo relé, que tiene modelos con mas salidas y con entradas que permiten separar la alimentación del circuito de control y el del mismo relé.

3. Se logro realizar el ejercicio propuesto del laboratorio, entendiendo el como es que funciona una compuerta NAND y como podríamos usarla como una compuerta NOT.

7. FOTO GRUPAL:

LABORATORIO NRO. 2

Circuitos Digitales.

Laboratorio N°2:

Simplificacion de funciones lógicas.

1. COMPETENCIA ESPECIFICA DE LA SESION:

• Simplificar funciones lógicas utilizando Mapas de Karnaugh.
• Implementar y probar funciones lógicas.
• Conocer las principales Familias lógicas: TTL y CMOS

2. MARCO TEÓRICO:

2.1. ÁLGEBRA DE BOOLE.

Muchos componentes utilizados en sistemas de control, como contactores y relés, presentan dos estados claramente diferenciados (abierto o cerrado, conduce o no conduce). A este tipo de componentes se les denomina componentes todo o nada o también componentes lógicos.

Para estudiar de forma sistemática el comportamiento de estos elementos, se representan los dos estados por los símbolos 1 y 0 (0 abierto, 1 cerrado). De esta forma podemos utilizar una serie de leyes y propiedades comunes con independencia del componente en sí; da igual que sea una puerta lógica, un relé, un transistor, etc.

2.2. TABLAS DE VERDAD.

Es una forma de representación de una función en la que se indica el valor 0 o 1 para cada valor que toma ésta por cada una de las posibles combinaciones que las variables de entrada pueden tomar.

2.3. PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA DE BOOLE.

Es una forma de representación de una función en la que se indica el valor 0 o 1 para cada valor que toma ésta por cada una de las posibles combinaciones que las variables de entrada pueden tomar.

PROPIEDAD CONMUTATIVA:

De la suma: A+B = B+A 

Del producto: A*B = B*A

PROPIEDAD ASOCIATIVA:

De la suma: (A+B)+C = A+(B+C) = A+B+C 

Del producto: (A*B)*C = A*(B*C) = A*B*C

LEYES DE IDEMPOTENCIA:

De la suma: A+A = A ; A+A' = 1 

Del producto: A*A = A ; A*A' = 0

PROPIEDAD DISTRIBUTIVA:

De la suma respecto al producto: A*(B+C) = (A*B) + (A*C) 

Del producto respecto a la suma: A + (B*C) = (A+B) * (A+C)

LEYES DE DE MORGAN:

(A+B+C)' = A'*B'*C' 

(A*B*C)' = A'+B'+C'

2.4 OTRAS COMPUERTAS LÓGICAS:

Compuerta NAND.

La puerta NAND, compuerta NAND o NOT AND es una puerta lógica que produce una salida falsa solamente si todas sus entradas son verdaderas; por tanto, su salida es complemento a la de la puerta AND,

Hay tres símbolos para las puertas NAND: el MIL/ANSI, el IEC, así como el obsoleto símbolo DIN que a veces se encuentra en los esquemas viejos.

Compuerta NOR

La puerta NOR o compuerta NOR es una puerta lógica digital que implementa la disyunción lógica negada.

Hay tres símbolos para las puertas NOR: el símbolo Americano (ANSI o "militar") y el símbolo IEC ("europeo" o "rectangular"), así como el obsoleto símbolo DIN.

Compuerta XOR

La puerta XOR, compuerta XOR u OR exclusiva es una puerta lógica digital que implementa el o exclusivo; es decir, una salida verdadera (1/HIGH) resulta si una, y solo una de las entradas a la puerta es verdadera. Si ambas entradas son falsas (0/LOW) o ambas son verdaderas, resulta en una salida falsa.

Existen dos símbolos para las compuertas XOR que corresponden a la norma estadounidense ANSI/IEEE Std 91-1984 y su suplemento ANSI/IEEE Std 91a-1991., conocida como "símbolo característico" y el símbolo 'rectangular' basado en la norma europea IEC 60617-12.

Compuerta XNOR

La puerta XNOR (a veces escrita "exnor" o "enor" y rara vez escrito NXOR) es una puerta lógica digital cuya función es la inversa de la puerta OR exclusiva (XOR). La versión de dos entradas implementa la igualdad lógica.

3. EVIDENCIA DE TAREAS EN LABORATORIO:

Editado con Camtasia Studio Versión 9.1.

4. OBSERVACIONES:

1. Un módulo de compuertas lógicas NOT estaba dañado al momento de realizar el laboratorio, por lo que se procedió a su cambio.

2. Al principio se probó cada compuerta lógica que se emplearía para asegurarse de que el circuito funcionara correctamente.

3. La compuerta OR empleada en el laboratorio tenia 4 entradas, por lo que se puso una de ellas a tierra para que se pudiesen usar las otras 3 normalmente.

5. CONCLUSIONES:

1. Al finalizar la sesión, se aprendió sobre el uso de la electrónica digital, mas concretamente las compuertas lógicas, en distintos ámbitos tanto laborales como cotidianos.

2. Se logró completar los ejercicios aplicativos del presente laboratorio, permitiéndonos poner en práctica los conocimientos adquiridos y familiarizándonos con las características y funcionamiento de las puertas lógicas.

3. Se Aplicaron sistemas combinacionales a modo de automatización de un proceso, como se puede ver en los ejercicios 1 y 2 del presente laboratorio.

6. FOTO GRUPAL:

LABORATORIO NRO. 1

Circuitos Digitales.

Laboratorio N°1:

Puertas y funciones lógicas.

1. COMPETENCIA ESPECIFICA DE LA SESIÓN:

• Comprobar las tablas de verdad de puertas lógicas y sus combinaciones.
• Conocer las principales Puertas Lógicas, su simbología y comportamiento.
• Utilizar un SIMULADOR para comprobar el comportamiento de los mismos.

2. MARCO TEÓRICO:

2.1 Compuertas Lógicas:

Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico con una función booleana u otras funciones como sumar o restar, incluyen o excluyen según sus propiedades lógicas. Se pueden aplicar a tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática. Son circuitos de conmutación integrados en un chip.

2.2 Tipos de compuertas lógicas:

Entre las principales tenemos:

- Puerta SI o BUFFER:

Amplificador de corriente o como seguidor de tensión, para adaptar impedancias (buffer en inglés).

- COMPUERTA AND:

Para la compuerta AND, la salida estará en estado alto de tal manera que solo si las dos entradas se encuentran en estado alto. Por esta razón podemos considerar que es una multiplicación binaria.

- COMPUERTA OR:

La compuerta OR, la salida estará en estado alto cuando cualquier entrada o ambas estén en estado alto. De tal manera que sea una suma lógica.

- COMPUERTA XOR:

Su salida estará en estado bajo cuando las dos entradas se encuentren en estado bajo o alto. Al mismo tiempo podemos observar que entradas iguales es cero y diferentes es uno.

También, podemos encontrar sus versiones negadas.

- COMPUERTA NOT:

En la compuerta NOT, el estado de la salida es inversa a la entrada. Evidentemente, una negación.

- COMPUERTA NAND

Para la compuerta NAND, cuando las dos entradas estén en estado alto la salida estará en estado bajo. Como resultado de la negación de una AND.

- COMPUERTA NOR:

En la compuerta NOR, cuando las dos entradas estén estado bajo la salida estará en estado alto. Esencialmente una OR negada.

- COMPUERTA XNOR

Su salida de hecho estará en estado bajo cuando una de las dos entradas se encuentre en estado alto. Igualmente, la salida de una XOR negada.

3. EVIDENCIA DE TAREAS EN LABORATORIO:

3.1. Video del trabajo grupal:

3.2 Fotos tomadas durante el laboratorio.

Armado del circuito en Módulo.

Laboratorio en PDF.

Simulación en PROTEUS.

4. OBSERVACIONES:

• Al momento de hacer los cambios de estado de las entradas de las compuertas lógicas, había un tiempo de transición en el que no estaba ni en 0 ni en 1, ya que los cables estaban sueltos, éstas compuertas lo interpretaban como si estuvieran recibiendo un nivel lógico 1.
• Ya que en los módulos del voltaje de 5Vdc para la alimentación estaba muy cerca del de 15Vdc, se debía proceder a la conexión del circuito con cuidado, ya que el error de conectar la compuerta lógica a ese voltaje ocasionaría el daño del componente.
• Algunos zócalos del modulo empleado para armar los circuitos, estaban flojos debido a su uso continuo, por lo que se tuvo que armar el circuito en otra parte que los tuviese en buenas condiciones.

5. CONCLUSIONES

• Se logró comprender el funcionamiento de las compuertas lógicas, realizando así el ejercicio propuesto en el laboratorio N°1.
• Se pudo comprender la lógica booleana que describe el funcionamiento de las compuertas lógicas, generando una ecuación que representaba el circuito físico que se debía armar.
• Aplicamos la simulación en el software PROTEUS, familiarizándonos con su entorno y herramientas que ofrece.
• Se logró aprender sobre la funcionalidad de los mapas de Karnaugh, simplificando la ecuación lógica y permitiéndonos resumir el circuito que debía de armarse.

6. FOTO GRUPAL: