Cerradura codificada con flip flops - Electrónica Digital

Electrónica Digital Proyecto de fin de curso

Elaboración de una cerradura codificada

Autores:   

Br. Edgard Vicente García Sarria Br. Cristian Osejo Bermejo Br. David Alejandro Pereira Pineda

Docente: Ing. Skarleth Massiel Fletes Latino

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Carrera   

IGI IMS IGI

Nº Carnet   

16-IGI-1073 15-IMS-0910 16-IGI-1235

Electrónica Digital Elaboración de una cerradura codificada

I.

INTRODUCCIÓN

La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forman parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de materiales. La electrónica digital es la rama de la electrónica más moderna y que evoluciona más rápidamente. Se encarga de sistemas electrónicos en los que la información está codificada en estados discretos, a diferencia de los sistemas analógicos donde la información toma un rango continuo de valores. En la mayoría de sistemas digitales, el número de estados discretos es tan solo de dos y se les denomina niveles lógicos. Estos niveles se representan por un par de valores de voltaje, uno cercano al valor de referencia del circuito (normalmente 0 voltios, tierra o "GND"), y otro cercano al valor dado por la fuente de alimentación del circuito. Tener solo estos dos valores ("0" y "1", "false" y "true", "off" y "on" o "bajo" y "alto"   entre otros) nos permiten usar el álgebra booleana y códigos binarios, los que nos proporciona herramientas muy potentes para realizar cálculo sobre las señales de entrada. La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia debido a que es utilizada para realizar autómatas y por ser la piedra angular de los sistemas microprogramados como son los ordenadores o computadoras. Los más complejos sistemas digitales, aplicados y útiles hoy en día son posibles gracias a la integración de los componentes, herramientas, equipos y subsistemas electrónicos, informáticos y mecánicos. En tiempos modernos es tan fácil tocar una pantalla con nuestras manos (pantalla táctil), ejecutar un comando de voz y cambiar un canal o abrir una ventana, apagar y encender una bombilla; todo gracias a la electrónica digital. Como su nombre lo indica ella se sustenta en su propio lenguaje, el lenguaje de código binario "1" y "0", se crean ciclos de palabras, password, secuencias de bit y byte y se hace realidad lo que nunca se pensó poder monitorear en tiempo real un proceso a miles de kilómetros de distancia. Todas las demás ciencias hoy en día se deben a la invención de los sistemas digitales, es difícil pensar en cocinar algo, llamar a un pariente lejano o ir al cine sin dejar a un lado la electrónica digital.

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II.

OBJETIVOS

1. GENERAL o

Elaborar un proyecto teórico-práctico para aplicar y demostrar los conocimientos adquiridos en el curso de Electrónica Digital, impartido por la Ing. Skarleth Fletes en la Universidad Tecnológica La Salle.

2. ESPECÍFICOS o

Diseñar un circuito digital para controlar una cerradura electrónica que sea capaz de: Tener varias claves de acceso Bloquearse por un tiempo determinado después de 3 intentos fallidos. Cambiar la clave de acceso.   

o

Simular el circuito utilizando el software Proteus 8.6 Professional

o

Elaborar un informe escrito donde se detallen las especificaciones y base teórica del circuito

o

Presentar el proyecto y explicar su funcionamiento al salón de clases.

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III. BASE TEÓRICA La Electrónica General se divide en dos grandes grupos de estudio o especialidades, la electrónica Analógica y la Digital. Esta segunda, en realidad, es una simplificación realizada para facilitar su estudio, ya que físicamente todo en el mundo es analógico . De hecho, hasta los componentes electrónicos digitales (circuitos digitales) están fabricados internamente y diseñados con componentes analógicos (transistores, resistencias, etc.) simplificados conceptualmente en bloques de funcionamiento que sólo pueden tener dos estados, o conducen electricidad o no la conducen, mientras en la electrónica analógica hay infinitos estados de conducción de la electricidad. Una aplicación de la electrónica digital sería el procesador o la memoria del equipo informático desde el que estoy escribiendo. Y de la electrónica analógica, el amplificador de sonido de los altavoces o su fuente de alimentación.

Electrónica Analógica: Trata con corrientes y tensiones que pueden varíar su valor en el transcurso del tiempo de manera uniforme y continuada. Por lo tanto, se pueden medir valores positivos, negativos, cero o cualquiera de sus infinitos estados intermedios, y puede variar de manera alternativa (corriente alterna) o continua (corriente continua)

Electrónica Digital: Trata con valores de corrientes y tensiones eléctricas que sólo pueden poseer dos estados en el transcurso del tiempo. Hay o no hay corriente o tensión, pero cuando la hay, siempre es la misma y cuando no hay, siempre es de valor cero.

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Lo primero que hay que conocer para iniciarse en la Electrónica Digital, y en la que se basa toda su teoría, es el Algebra de Boole, teoría matemática aplicada al sistema de numeración binario  o en base 2. El sistema de numeración que nos enseñan en la escuela y que usamos habitualente es en base 10 o decimal, con el que disponemos de 10 dígitos diferentes (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9) para expresar cualquier cantidad. En el sistema binario o en base 2, sólo disponemos de 2 dígitos, el 0 y el 1, por lo que es ideal para trabajar con aquellos sistemas que sólo pueden tener dos estados, a un estado lo llamamos 0 y al otro 1. El único motivo por el que los humanos utilizamos la numeración en base 10 es que tenemos 10 dedos en las manos, gracias a los cuales empezamos a contar, a expresar cantidades con símbolos y a realizar operaciones matemáticas simples. El mátemático inglés George Boole desarrolló un sistema de reglas que le permitían expresar, manipular y simplificar problemas lógicos y filosóficos cuyos argumentos admiten dos estados (verdadero o falso) empleando procedimientos matemáticos. Una vez que ya sabemos como funciona la electrónica analógica y la digital, vamos a empezar a estudiar electrónica digital por medio de las llamadas puertas lógicas y algunas operaciones lógicas en binario. Empecemos por conocer que es un variable binaria.

Variable binaria : es toda variable que solo puede tomar 2 valores, dos dígitos (dígitos=digital) que corresponden a dos estados distintos. Estas variables las usamos para poner el estado en el que se encuentra un elemento de maniobra o entrada (por ejemplo un interruptor o un pulsador) y el de un receptor (por ejemplo una lámpara o un motor), siendo diferente el criterio que tomamos para cada uno. Veamos como son los estados en cada caso. - Receptores o elementos de Salida (lámparas, motores, timbres, etc) : encendida (estado 1) o apagada (estado 0) - Elementos de entrada (interruptor, pulsador, sensor, etc) : accionado (estado 1) y sin accionar (estado 0) Cuando decimos "accionado" quiere decir que cambia de posición comparándola cuando su posición era en reposo. Imaginemos un interruptor que su posición en reposo es abierto. su estado sería 0. Si ahora le pulsamos y le cambiamos la posición, su nueva posición ahora sería un interruptor cerrado, y su nuevo estado sería 1. Podría ser al revés. Imagina que el interruptor está cerrado en reposo, pues el estado en reposo sería igualmente 0, pero el interruptor, en este caso para el estado 0 sería un interruptor cerrado y no abierto como antes. Conclusión: el estado solo quiere decir si el interruptor o pulsador se ha pulsado o no. Pulsado estado 1,

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sin pulsar estado 0. Cuando es un elemento de salido, por ejemplo un motor o una lámpara, si están funcionando su estado sería 1 y si no están funcionando su estado sería 0.

Operaciones lógicas  (álgebra de boole): son las operaciones matemáticas que se usan en el sistema binario , sistema de numeración que solo usa el 0 y el 1 Suma y Multiplicación

LAS PUERTAS LÓGICAS Son componentes electrónicos representados por un símbolo con una o dos entradas (pueden ser de mas) y una sola salida que realizan una función (ecuación con variables binarias), y que toman unos valores de salida en función de los que tenga en los de entrada. Las puertas lógicas también representan un circuito eléctrico y tienen cada una su propia tabla de la verdad, en la que vienen representados todos los posibles valores de entrada que puede tener y los que les corresponden de salida según su función.

Puerta Lógica Igualdad  (función igualdad)

Como vemos la función que representa esta puerta es que el valor de la salida (motor o lámpara) es siempre igual al del estado del de entrada (pulsador o interruptor)

Electrónica Digital Elaboración de una cerradura codificada Puerta NO o NOT  (negación) Es una puerta que la entrada siempre es contraria al valor de la salida. En las funciones una barra sobre una variable significa que tomará el valor contrario (valor invertido). Veamos su función, el símbolo, el circuito eléctrico y su tabla de la verdad.

La función nos dice que el estado de la salida S, es el de la entrada a pero invertida.

Todas las puertas lógicas que se invierten a la salida su símbolo lleva un circulito en el extremo.

Puerta O u OR  (función suma)

En este caso hay dos elementos de entrada (dos pulsadores). Para que la lámpara esté encendida (estado1) debe de estar un pulsador cualquiera pulsado (estado 1) o los dos

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Puerta AND (función multiplicación)

En este caso para que la lámpara este encendida es necesario que estén pulsador (estado 1) los dos pulsadores a la vez. Ojo 0x1 es 0 y 1x1 es 1. Con estas 4 puertas podríamos hacer casi todos los circuitos electrónicos, pero también existen mas compuertas.

PUERTA NOR (función suma invertida)

PUERTA NAND (función producto invertido)

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Hasta ahora hemos visto las puertas lógicas aisladas, pero estas puertas sirven para realizar circuitos mas complicados combinándolas unas con otras, obteniendo así un circuito lógico combinacional . A partir de que nos planteen un problema lo primero que deberemos saber es el número de variables (sensores, pulsadores, interruptores, etc) que vamos a utilizar y a cada uno de ellos le asignamos una letra de una variable lógica (a, b, c, etc). Al elemento de salida le llamamos S, y a continuación sacamos la tabla de la verdad poniendo los posibles valores de las variables (0 o 1) y el valor que tomará la salida para esos valores (tabla de la verdad del problema o circuito). Ejemplo: queremos que una caja fuerte se abra cuando se pulsen dos pulsadores a la vez. Tenemos dos pulsadores a y b y una salida que será el motor de la caja fuerte. Este motor funcionará (estado 1) para abrir la caja. Ya sabemos como debe funcionar. ahora sacamos la tabla de la verdad. Una tabla con dos variables de entrada a y b y con una salida. Tendremos una tabla con 4 casos posibles. Para esta tabla vamos pensando para cada caso como será el valor de la salida.

A continuación sacamos la función lógica del problema. Para sacar la función usamos la tabla de la verdad. Cogemos solo las filas que den como salida el valor 1  (solo hay una y es la última), y multiplicamoslas variables de entrada de cada fila que tenían valor 1 (recuerda solo hay una) poniendo invertidas las que tengan valor 0 y en estado normal las que tengan valor 1. En este caso las dos tienen valor 1 luego no habrá ninguna invertida. La función lógica sería:

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S=axb Así de sencillo. si tuviéramos dos fila con salida 1 tendríamos dos productos y estos productos se sumarían para sacar la función (no es el caso). Una vez que tenemos la función lógica y la tabla de la verdad sacamos el circuito lógico combinacional poniendo tantas líneas verticales como variables tengamos (dos en este caso). Sacamos líneas horizontales para cada variable del producto de la función, colocando para las variables invertidas la puerta NO (no hay en este caso). Unimos las variables de cada producto con la función AND (producto) y al final unimos los productos mediante la puerta O (función suma). En el ejemplo sería muy sencillo el circuito ya que corresponde con la puerta AND, ya que solo hay una fila con S=1.

Imaginemos que el problema nos propone que la caja fuerte se abra cuando alguno de los pulsadores esté activado (cuando están los dos a la vez no). Ahora tendremos dos filas con salida 1, por eso hay que sumar los dos productos que obtenemos. Como también tenemos variables de entradas invertidas habrá que poner en ellas la puerta inversora antes de hacer el producto y al final para unir los dos productos se usa la puerta O. En este caso tendríamos la siguiente tabla de la verdad, función lógica y circuito 1.

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Las puertas lógicas no se venden por separado, sino que vienen incorporadas en l os llamados circuitos integrados o CI. Veamos dos CI de los más usados.

Este es el 7432 y como vemos tiene 4 puertas lógicas OR. Las patillas 14 y 7 es donde se conecta el positivo y el negativo de la pila. ahora vamos a ver el CI 7402 con 4 puertas NOR

Circuitos Biestables (flip-flops) Un biestable (flip-flop en inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar informacion. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en: Asíncronos: solamente tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS.

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Síncronos: además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas. La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D.

Contadores Un contador es un circuito secuencial construido a partir de flip-flops y puertas lógicas capaz de almacenar y contar los impulsos (a menudo relacionados con una señal de reloj), que recibe en la entrada destinada a tal efecto, asimismo también actúa como divisor de frecuencia. Normalmente, el cómputo se realiza en código binario. Clasificacióndeloscontadoresdecircuitosecuencial Según la forma en que conmutan los números, podemos hablar de contadores numeradores  (todos los números conmutan a la vez, con una señal de reloj común) o asíncronos  (el reloj no es común y los números conmutan uno tras otro). 

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Según el sentido de la cuenta, se distinguen en ascendentes, descendentes y UP-DOWN o numéricos (alterna en ascendentes o descendentes según la señal de control).

Según la cantidad de números que pueden contar, se puede hablar de contadores binarios de n bits (cuentan todos los números posibles de n bits, desde 0 hasta 2n-1), contadores BCD (cuentan del 0 al 9). El número máximo de estados por los que pasa un contador se denomina módulo del contador (Número MOD). Este número viene determinado por la expresión 2^n donde n indica el número de bits del contador. Ejemplo, un contador de módulo 4 pasa por 4 estados, y contaría del 0 al 3. Si necesitamos un contador con un módulo distinto de 2^n, lo que haremos es añadir un circuito combinacional. 

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IV. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El presente proyecto plantea el desarrollo de un circuito digital para operar una cerradura electrónica con clave de acceso y que cumpla con las siguientes características:  Teclado decimal  Tener un código de acceso que pueda ser cambiado por el usuario  Bloquearse por 30s después de 3 intentos de acceso fallidos  Tener varias claves de acceso

ELABORACION Para dar solución al problema planteado ideamos el siguiente circuito:

El cual hace uso de los siguientes elementos:  Alimentación de 9V (batería)  4 diodos LED (amarillo, rojo, verde y azul)  11 Pulsadores  2 Relays  8 Flip-Flops ( 4 - 74LS73)

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3 Temporizadores NE555 1 Contador Johnson (CD4017) 15 resistencias de 300 Ohms 3 Capacitores variables (45-100uF)

Funcionamiento: La clave predefinida para nuestro circuito es 2381. Al presionar el primer digito de la combinación (2) se envía una señal al primer arreglo de flip-flops iniciando el conteo de la clave de acceso, al pulsar el segundo digito correcto continua avanzando el conteo hasta llegar al último digito correcto, en este caso, se activa un relé que enciende un motor que simula un pestillo o la puerta de la cerradura, a su vez se activa un LED indicando que se introdujo la clave correcta, estos permanecerán en funcionamiento por aproximadamente 30 segundos, tiempo que puede ser variado ajustando el capacitor variable, cuando se cumpla el tiempo, el circuito recibe una señal de RESET, quedando en stand-by hasta que el usuario pulse las teclas. En caso que se introduzca un digito incorrecto se enviara una señal al segundo arreglo de flip-flops que contara las pulsaciones incorrectas, el cual, luego de 4 pulsaciones incorrectas (para evitar que se descubra la clave por fuerza bruta), activa un relé que enciende un led por aproximadamente 5 segundos indicando que se ha introducido una combinación incorrecta, al mismo tiempo se envía un pulso al contador Johnson, el cual va sumando los intentos de acceso incorrectos y al llegar a 3, activa un relé que corta la alimentación del teclado por aproximadamente 30 segundos, impidiendo que se intente abrir la cerradura de nuevo. En caso de cometer un error introduciendo la combinación, se puede pulsar el botón CLEAR, el cual envía una señal de RESET al contador que lleva la secuencia de acceso, reiniciando el conteo. Además, el circuito cuenta con un LED de encendido que permite saber si el circuito está funcionando, por si acaso hay una falla de alimentación o se agota la batería.

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V.

ETAPAS DEL CIRCUITO

Teclado decimal con y LEDs indicadoras.

Contador principal encargado de la secuencia de acceso.

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Segundo contador, encargado de sumar 4 pulsaciones erróneas

Contador Johnson. Lleva cuenta de los intentos de acceso fallidos.

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Circuitos de retardo para los LEDs indicadores de estado bloqueado, error y desbloqueo.

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VI. CONCLUSIONES Dando solución a este desafío llegamos a las siguientes conclusiones: 

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En el proyecto realizado se han aplicado todos los conocimientos de electrónica  Analógica, Electrónica Digital, y un poco de investigación de nuestra parte. Pudimos visualizar de una manera más aplicada a la cotidianidad de la carrera de ingeniería la importancia que tiene la electrónica para nuestro gremio y la vida diaria de las personas.

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Logramos aplicar los conocimientos transmitidos por nuestra docente, y nuestra propia investigación para resolver un problema.

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Descubrimos que la electrónica es una rama de la física muy amplia y que aún nos falta mucho por aprender.

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Estamos muy satisfechos con los contenidos abordados y esperamos con ansias el curso de Electrónica Digital II.