miércoles, 21 de noviembre de 2012

Banda Transportadora: Laboratorio final

Laboratorio: Utilizando un moto-reductor  que hace trasladar una banda que lleva adjunto un pequeño imán se desea accionar tres Reed Switchs. Al pasar el imán por el Red Switch 1 debe aparecer el dígito respectivo en un display de 7 segmentos de cátodo común y simultáneamente debe indicarse a través de un mensaje de audio grabado  que se está pasando por la Estación 1.  Esto mismo debe repetirse para la estación 2 y 3, donde en cada estación se dispone de un Reed Switch, estando los tres Reed Switch en paralelo. El motor debe arrancar al recibir un pulso de START,  y debe estar en movimiento mientras un contador 74190 ascienda del 0 al 9 y regrese nuevamente al 0.  El contador inicia su conteo ascendente desde el 0 al tiempo que el motor comienza a moverse. Cuando el motor está en reposo debe encenderse un Led Jumbo Amarillo. Cuando el conteo del 74190 es ascendente debe estar encendido un Led Jumbo Verde, estando apagado el amarillo. Cuando el conteo es descendente sólo debe estar encendido un Led Jumbo Rojo. Una barra de Leds permite visualizar el estado binario del contador.Cuando el contador llega al cero despues de haber efectuado su conteo descendente el contador queda bloqueado reseteado y el motor se detiene, listo para una nueva operación hasta tanto no se dé un nuevo pulso de START (Inicio).El Led Amarillo que indica el estado de reposo del motor debe quedar encendido.

Este proyecto permite repasar muchos conceptos estudiados en un curso de circuitos digitales secuenciales.
Vamos a explicar, paso a paso,  como  pudo realizar este proyecto el estudiante Jonathan Cuesta del curso de Digitales 2, Facultad de Ingeniería Electrónica, de la Universidad Antonio Nariño, sede Sur, Bogotá.

Hay que trabajar por partes, siguiendo la regla de oro: "Divide y vencerás". La idea es ir diseñando, simulando y practicando parte por parte, hasta llegar al final del proyecto.

Parte 1: Se buscó inicialmente  el motor reductor más adecuado, que permitiera través de dos  piñones  transmitir el movimiento del motor al de la banda transportadora, tal como se muestra en la siguiente fotografía:

Parte 2: Buscando que el motor no generara ruido se instaló además un circuito de optoacoplamiento.


En muchas ocasiones se hace indispensable, para evitar ruidos que pueden incidir en un mal funcionamiento de un circuito secuencial, el uso de un optoacoplador que aisle la carga del circuito secuencial. Para este situación es muy util implementar una salida optoacoplada con el PC817, tal como se muestra en el siguiente esquema:
Si la Entrada es 0 el relé está desenergizado y se activa el LED de potencia, y si la entrada es 1 se energiza el relé y se activa el MOTOR DC.  Como el motor funciona al crearse un campo electromagnético en el,  si no existiera el aislamiento eléctrico causará ruido y molestaría en el circuito lógico que lo está activando.

 El  Optoacoplamiento, quiere decir que el acoplamiento del motor y del LED de potencia con el circuito lógico que lo activa, se hace en forma óptica, a través del diodo infrarojo y el fototransistor que existen en el interior del chip de 4 pines PC817. Con el 0 lógico el led infrarojo no emite luz, y el fototransistor está abierto, en cambio, si se tiene un 1 lógico a la entrada, el led emite luz. y el fototransistor conduce.

Observe además que se están utilizando  tanto los contactos normalmente abiertos como los normalmente cerrados, o sea los 5 pines de que dispone el relé de 5 voltios.El diodo rectificador 1N4001 dispuesto inversamente y en paralelo con la bobina del relevo actúa como supresor de picos de corriente cotrarrestando la Ley de Lenz (  VL = - L di / dt), y evitando que el voltaje autoinducido negativo que se genera en la bobina del relevo queme el transistor 2N2222A que se está utilizando como interface entre la salida del optoacoplador y la bobina o entrada del relevo.

En este proyecto en lugar del Led de Potencia se utiliza un Led Jumbo Amarillo.Como el relevo es de 5 pines, dispone de contacto normalmente abierto y de otro contacto normalmente cerrado. Esto nos permite que cuando el motor esté apagado el Led Amarillo se encienda y que cuando el motor se active el Led amarillo se apague.


Para reducir la velocidad del motor hubo necesidad de acoplarle a la salida optoacoplada  un circuito de Modulación por Ancho de Pulsos PWM, usando un integrado 555 como Astable, de acuerdo a la información que se puede consultar como:  Control de velocidad de motores de CC por PWM en el portal UCONTROL.COM.AR

Imagen:VELCCPWMcircuito.gif

Se varía el potenciómetro hasta lograr la  velocidad adecuada para el motor.

Para acoplar el circuito PWM a la salida optoacoplada en los puntos de salida del motor es decir en el contacto normalmente abierto del relevo y GND alimentamos el circuito de Modulación   por Ancho de Pulsos PWM; unificando las tierras para ambos circuitos, tal como se muestra a continuación:

Parte 3: 



Se instalaron los Reed Switchs en paralelo buscando que actuaran como un único pulso de reloj que fuese al pin 1 (clk) de la GAL22V10 el cual funciona con un flanco de subida. La idea es que al pasar el imán que está adherido a la banda transportadora junto al Reed Switch se produzca el  flanco de reloj para que el contador elaborado con la GAL pase del 0 al 1 y en el display de 7 segmentos se visualice el dígito 1 y así mismo se  direccione A2,A1,A0 con 0 0 1  que permitan reproducir el mensaje grabado en el ISD1964 en dicha dirección, que para nuestro caso sería "ESTACIÖN UNO"  Así mismo se haría para las otras dos estaciones. Para evitar rebotes en los Reed Switchs se colocó antes del reloj de la GAL1 (pin1) un circuito ONE-SHOOT: monoestable no redisparable, con 555.
Como el monoestable es no redisparable absorve los rebotes producidos al activarse el Reed Switch con el imán.

 Para programar la GAL se trabajó con el Isplever de Lattice Semiconductor.

La siguiente fotografía muestra el proyecto hasta esta parte:

Se observa en la anterior fotografía tres protoboards: en el de la parte superior se montó el circuito PWM con 555 para reducir la velocidad del moto-reductor ajustando el potenciómetro; en el protoboard de la mitad se aprecia la Gal22V10 que maneja el display de 7 segmentos, cátodo común, y el 555 que actúa como Antirebotes del reloj de la GAL;  en el otro protoboard está dispuesto la tarjeta que maneja el chip de sonido ISD1964. En ese mismo protoboard se puede apreciar el integrado 7404, de donde se obtiene el inversor que se requiere para manejar el flanco de bajada para la entrada PlayE del ISD, para reproducir los mensajes grabados.

Al llegar el imán al segundo Reed Switch se digita el 2 en el display y así mismo en el Chip de Sonido se reproduce lo grabado en la dirección 010 en A2 A1 A0: "ESTACIÓN DOS"
Manejando el Isplever programamos la Gal22V10 para el contador decodificado que maneje el Chip de sonido y el display de 7 segmentos de cátodo común:
La Gal posee un Reset Power On internamente lo cual hace que los 10 flip-flops de que disponen inicien en ceros. Por esta razón siempre debe ser este su estado inicial. Al activarse el flanco de subida del  reloj, al pasar el imán cerca del primer Reed Switch se visualiza en la tabla de estados la dirección A2 A1 A0 = 001 y simultáneamente en el display de 7 segmentos  se encienden sólamente los segmentos b y c. Cada pulso de reloj, a medida que la banda transportadora avanza el imán hacia los otros Reed Switchs se decodifica el 2 y el 3, y luego del 3 se pasa a un Reed Switch asociado al CERO en donde se apagan todos los segmentos del display y en la dirección Cero del ISD se ha grabado como mensaje "Estaciones Digitales"

El programa en ABEL para la GAL debe compilar correctamente y simularse antes de llevar el archivo JEDEC al programador superpro Z .Para generar el flanco de bajada para reproducir el mensaje grabado en el ISD se utilizó un inversor 74LS04 a la salida del clock, antes del pin 1 de la GAL.

Veamos el reporte de chip de la Gal1 generado por el Isplever:

Veamos un Video con lo trabajado hasta el momento:
video

Parte 4:  Para continuar con el proyecto se procedió a trabajar la activación del Motor y de los Leds Jumbos Verde y Rojo, junto con el contador 74LS190, a partir de una Máquina de Estado Algorítmico de acuerdo al diagrama ASM que se muestra a continuación:
Recordemos que una Máquina de Estado Algorítmico trabaja con base en dos grandes bloques: Un Procesador de Datos y una Unidad de Control, tal como se muestra en el siguiente esquema:
Inicialmente elaboramos en  la GAL22V10 la Unidad de Control como una Máquina de Moore:

Podemos verificar mediante la simulación que la Unidad de Control trabaja tal como la necesitamos:


Procedemos luego a trabajar lo concerniente al Procesador de Datos en la misma Gal2 22V10, para ello lo hacemos esquemáticamente, donde previamente debemos generar el Símbolo Esquemático para la Unidad de Control:
En caso dado que el lector lo considere necesario pueden usarse las salidas Q1 y Q0 para chequear los estados del control. Se supone que se ha simulado e implementado en el protoboard  flip-flops J-K y el contador 74LS190. Sus tablas de funcionamiento deben estar suficientemente comprendidas por el lector.

La simulación de la Gal 2 es tal como sigue:


El Chip Report de la Gal 2 se muestra a continuación:

Veamos una fotografía del montaje final:


Al ir trabajando por partes, efectuando el diseño y su respectiva simulación, e implementando en el protoboard lo simulado, nos permite llegar al final del proyecto con éxito, con la gran satisfacción de ver funcionando lo propuesto.

Un video nos permite observar el proyecto realizado:


La satisfacción al llegar exitosamente al final de un proyecto es compartida: Estudiante-Profesor.

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