Diseño de un Circuito Contador aplicado al Sistema de Seguridad de los Locales con Respecto a su Aforo

Resumen

El presente informe tiene la finalidad de
explicar el proceso que se ha llevado a cabo para el
diseño y construcción de un circuito
electrónico, el cual básicamente tiene la
función de un contador decimal de 3 dígitos, es
decir, dicho contador va a llevar una cuenta secuencial que va
desde el número 0 hasta el número 999. Lo innovador
es la adaptación y el uso que le asignaremos al contador,
como la activación de la cuenta por medio de diodos led
LDR que van a servir como sensores infrarrojos o
pulsadores.

Este diseño consta de circuitos
integrados de la tecnología CMOS (C+), una
tecnología como la TTL, o Lógica de Transistor a
Transistor, componentes que en el transcurso del presente informe
voy a detallar con una mayor profundidad; en este caso se ha
usado un contador MC14553 y su respectivo decodificador CD4543,
además de sus displays (3) de siete segmentos para la
visualización de la cuenta, entre otros
componentes.

Con respecto a la aplicación en la
realidad, este circuito lo deseamos implementar en el área
de seguridad, para ser más específicos en busca de
la mejora y eficacia de los sistemas de seguridad de los locales
con respecto a la capacidad máxima permitida por un
determinado establecimiento o local comercial, instalando este
dispositivo en la puerta de entrada de un local con el fin de
poder visualizar la cuenta de las personas que ingresan y
supervisando que no exceda la capacidad máxima permitida o
aforo de dicho local, con la finalidad de evitar tragedias o
desgracias como lo ocurrido en la discoteca "Utopía", solo
por nombrar un ejemplar caso muy conocido.

Introducción

El presente trabajo nace a razón de
un trabajo práctico encomendado por el docente del curso
de Dibujo Electrónico, el Ing. Wilder Román; el
cual consiste en crear, diseñar y construir un proyecto
que involucre netamente el nuestro campo el cual es la
electrónica, esto con el fin de poner a prueba y en
práctica lo aprendido en las diferentes sesiones de
aprendizaje y clases dictadas por el mencionado ingeniero
encargado del curso, usando las herramientas del dibujo
electrónico y todos los medios pertinentes y necesarios
para poder llevar a cabo un buen proyecto de fin de curso por
motivo del cierre del ciclo académico 2011 –
II.

Al hablar de las herramientas de dibujo
electrónico me refiero a todos los software que hemos
aprendido a manejar a lo largo del desarrollo de este curso, cabe
mencionar los programas de dibujo electrónico como el
Microsoft Office Visio o el Circuit Maker, solo por mencionar
algunos de estos potenciales programas de dibujo
electrónico, también haremos uso de todo lo
aprendido acerca de simbología puesto que más
adelante podremos apreciar gráficos del circuito contador
que estamos desarrollando, además de los diagramas de
bloque para un mejor entendimiento de los procesos que demanda la
construcción de nuestro circuito. Otro punto, enumerando
lo aprendido que pondremos en práctica es la
realización de un informe de investigación ordenado
y con una estructura definida y coherente, para que así el
lector pueda entender mejor el la idea o mensaje que queremos
transmitir, en este caso la utilidad del proyecto.

Ahora para poder sustentar este trabajo,
vamos a hacerlo mediante una exposición ante el
salón usando también todas las herramientas
disponibles como el proyector multimedia, las diapositivas o un
video tutorial, dependiendo de cada grupo, labor que aplaudo,
puesto que comparto la idea del docente al buscar que podamos ser
capaces de sustentar, exponer ante un público y defender
nuestro proyecto aclarando algunas interrogantes
espontáneas que pudieran surgir.

Esto nos va a ser de gran ayuda para
nuestra vida profesional ya que el Perú ya está
inmerso en este proceso digital y de la globalización,
además de exigir profesionales cada vez más
eficientes, actualizados y capacitados en su campo, y qué
mejor práctica que ésta.

También merece mencionarse que hemos
estado usando otras herramientas para nuestro aprendizaje, sobre
todo y hablando de globalización, la internet, ya que por
medio de ésta hemos publicado nuestros dibujos a modo de
práctica y algunos trabajos de investigación que se
nos encomendaba, haciendo así, una clase más
didáctica y actualizada, acorde con las demandas que rigen
y exige la enseñanza de calidad.

Regresando a nuestro proyecto, para un
mejor entendimiento del proceso de la construcción del
contador, tenemos que tener unas nociones y algunos conocimientos
previos de electrónica, en el siguiente capítulo
les daré un alcance, un marco teórico con lo que se
necesita saber para un mejor entendimiento.

Fundamento
teórico

Primeramente este circuito lo hemos montado
sobre un Protoboard, por lo tanto les voy a dar un alcance a
groso modo de las características principales del
Protoboard.

Aquí les adjunto una
fotografía del circuito montado sobre el
Protoboard.

III.1.El Protoboard:

Se conocen en castellano como "placa de
prototipos y son esencialmente unas placas agujereadas con
conexiones internas dispuestas en hileras, de modo que forman una
matriz de taladros a los que podemos directamente "pinchar"
componentes y formar el circuito deseado. Como el nombre indica,
se trata de montar prototipos, de forma eventual, nunca
permanente, por lo que probamos y volvemos a desmontar los
componentes, quedando la protoboard lista para el próximo
experimento.

Es una especie de tablero con orificios, en
la cual se pueden insertar componentes electrónicos y
cables para armar circuitos. Como su nombre lo indica, esta
tableta sirve para experimentar con circuitos
electrónicos, con lo que se asegura el buen funcionamiento
del mismo. Se recomienda hacer las siguientes conexiones a fin de
garantizar un óptimo funcionamiento de nuestro
circuito.

III.2.El Circuito Integrado MC14553
(Contador):

El integrado MC14553 está formado de
contadores 74LS90, latches que almacenan la información
por un tiempo determinado y la multiplexación que controla
los display. El pin 1(C1B) y 3(C1B), son las que controlan la
oscilación interna para que se muestre el barrido de los
display. La patilla 14(overflow) la cual permite amplia el rango
con otro contador MC14553. La patilla 13(reset) pues obviamente
sirve para resetear el circuito. La patilla 10(latch enable)
funciona como un stop lo que hace es deshabilitar los latches
para que sigan cargando datos como resultados se quedan con los
dígitos anteriores. La patilla 12(clock) es donde
conectamos la frecuencia en este caso proporcionada por el LM555.
La patilla 11(disable) deshabilita el clock. El voltaje
máximo es 18V.

III.3.El Circuito Integrado CD4543
(Decodificador):

El decodificador CD4543 es un circuito
lógico que acepta un conjunto de entradas que representan
números binarios y que activa solamente la salida que
corresponde a dicho dato de entrada. En un decodificador,
dependiendo de la combinación en sus entradas se determina
qué número binario (combinación) se presenta
a la salida correspondiente a dicho número, mientras tanto
todas las otras salidas permanecerán inactivas Este
decodificador sirve para mostrar salidas decimales a entradas
binarias. Las entradas pueden estar dadas por cualquier
dispositivo que tenga 4 salidas digitales como la computadora, un
micro, o Simplemente utilizando switches para conmutar los unos y
ceros.

III.4.El oscilador
CD4093:

Este circuito integrado incluye cuatro
compuertas NAND pero de tipo Schmit. Sirve para varias cosas y el
término sólo se refiere a que tiene diferentes
niveles para interpretar un "0" y un "1" lógicos
(histéresis). Eso ayuda a hacer más estables a los
circuitos de detección.

Puede ser un oscilador pero también
muchas cosas más.

Este integrado consta de 14 pines, y para
ello vamos a usar un potenciómetro de 100 kO, esto para
poder calibrarlo a la frecuencia de oscilaciones que nos
convenga, pero de esto hablaremos más adelante

En el siguiente diagrama podemos apreciar
el encapsulado, es decir, la parte interna de este circuito
integrado, el cual si hablamos de su funcionamiento podemos
compararlo con un oscilador 555, el cual es un integrado de la
familia TTL, muy conocido y usado también para funciones
de este tipo.

Circuito Integrado CMOS, es una compuerta
NAND Schmitt Trigger, su voltaje de funcionamiento puede ser de
3V a 15V, el circuito es de los más fáciles de
armar, con el potenciómetro podemos variar la velocidad de
oscilación que se produce en RC, si lo deseamos
podríamos quitar el potenciómetro y por medio de la
R1 continuaría la oscilación dependiendo del valor
del capacitor y resistencia podemos variar la frecuencia, en el
pin 2 podemos tener el control, cuando recibe un nivel
lógico alto (H) se activa y el nivel bajo (L) se detiene
la oscilación, el datasheet da más especificaciones
y utilidades.

III.5.El Display VCD de Siete
Segmentos:

El display que utilizaremos será
realizado con led`s consecutivos utilizando los mismos principios
que un display de siete segmentos de ánodo
común.

Es decir que todos los segmentos
estarán conectados al vcd y la tierra se proporcionara a
través del CD4543.

En la siguiente figura se muestra como
conectar el display, tanto el de ánodo común
(imagen superior) como el de cátodo común (imagen
inferior).

Note que las resistencias deben ser de 330
ohms y quedan conectadas en serie con cada LED del display. Vea
que en el caso del display de ánodo común, el pin
común (cualquiera de ellos) es conectado a Vcc y en el
caso del display de cátodo común, el pin
común (cualquiera de ellos) se conecta a tierra (el
negativo de la batería).

En el display de ánodo común,
un segmento se ilumina cuando su pin correspondiente se conecta a
tierra (L). En el display de cátodo común, un
segmento se ilumina cuando su pin correspondiente se conecta a
Vcc (H).

Objetivos del
proyecto

• El objetivo principal de este proyecto
  es poner en práctica nuestras habilidades aprendidas
  con respecto a los programas de dibujo, puesto que vamos a
  presentar diferentes gráficos o circuitos que hubo que
  dibujarlos en algún software o programa que aprendimos
  a ejecutar o manejar en el transcurso de este curso, tal como
  en el Circuit Maker o Visio, también vamos a poder
  observar dibujos hechos en el Proteus, con el fin de poder
  pasar nuestro circuito desde el diseño en Protoboard a
  una Placa impresa, por ende resalto la importancia de estos
  programas o herramientas virtuales que nos van a ayudar en la
  realización de este proyecto, ya sea en un dibujo de
  un circuito o diagrama electrónico, la
  simulación del mismo para verificar su correcto
  funcionamiento con el fin de evitar fallas o quemaduras de
  componentes en la realidad hasta el diseño de las
  conexiones, pistas y ubicaciones de los distintos componentes
  que necesita este proyecto al momento de hacer la Placa
  PCB.

• Otro objetivo del proyecto es aprender
  a interpretar los distintos gráficos, dibujos,
  esquemas, circuitos e información que demanda la
  realización de este proyecto, puesto que en el
  transcurso del proceso de investigación e
  indagación de los procesos de diseño y
  recopilación de información adicional y
  detallada, principalmente de los datasheet de los diferentes
  componentes usados en el mismo, nos exigía
  conocimientos básicos de electrónica digital,
  además nociones básicas del idioma
  Inglés, ya que los datasheet u hoja de datos de los
  integrados y demás componentes están escritos
  en ese idioma.

• Resaltamos también la
  importancia de la puesta en prueba de la capacidad de
  organización de los diferentes grupos formados,
  además de la explicación y exposición
  que va a hacer cada grupo acerca de su proyecto, ya que es
  una oportunidad de aprender a defender una cierta
  posición o sustentar el mensaje que se quiere
  transmitir durante la exposición dirigida a un
  determinado grupo de personas, esto nos acerca más a
  la realidad profesional, en la que tenemos que exponer
  diferentes proyectos y debatir contra las oposiciones
  manteniendo y defendiendo nuestra idea.

Equipos, materiales y
herramientas utilizados

• 1 Potenciómetro de 100k.
  R1.

• 4 Resistencias de 1k. R2, R12, R13,
  R14.

• 2 Resistencias de 6.8k. R3,
  R4.

• 7 Resistencias de 330O. R5, R6, R7,
  R8, R9, R10, R11.

• 1 Fotoresistencia LDR.

• 1 Condensador de 0.001 Uf.
  C1.

• 3 Transistores 2N3906. Q1, Q2,
  Q3.

• 1 Circuito integrado CD4093.

• 1 Circuito integrado
  MC14553.

• 1 Circuito integrado CD4543.

• 3 Displays 7 segmentos de ánodo
  común LA6960 o MAN6760.

• 2 Pulsadores N.A. S1,
  S2.

• 2 Protoboards.

• 1 Multímetro.

• Cables y herramientas
  diversas.

Procedimiento

En el presente capítulo vamos a
detallar todo el procedimiento paso a paso, explicando a la vez
el funcionamiento de cada componente.

El contador fotoeléctrico que se
describe en este proyecto es un circuito que cuenta la cantidad
de veces que un objeto opaco se interpone entre un rayo de luz y
un sensor óptico, en este caso, las personas, ya que este
dispositivo se piensa implementar en las puertas de ingreso a los
locales, como ya se mencionó anteriormente. El estado de
la cuenta se visualiza en tres displays de siete segmentos,
permitiendo la cuenta en línea hasta de 999 objetos.El
contador utiliza como sensor un LDR (resistencia dependiente de
la luz) o fotocelda. La luz puede provenir de una fuente natural
(sol) o artificial (lámparas incandescentes,
fluorescentes, de neón, etc.).Cuando la cuenta llega a su
tope máximo (999), el circuito la reinicia nuevamente en 0
y envía una señal de sobreflujo que puede
utilizarse externamente para ampliar la longitud del conteo a 4
ó más dígitos.El circuito también
proporciona la facilidad de borrar la cuenta (reset) o detenerla
(stop) en cualquier momento. No utiliza partes móviles y
es extremadamente compacto, gracias a la adopción de una
técnica digital conocida como múltiplex por
división de tiempo.Al no existir contacto físico
entre el sensor y el mundo externo, el sistema garantiza la
ausencia de desgaste mecánico y permite contar objetos de
cualquier índole, sin importar su forma o su peso. Esta es
una de sus principales ventajas.Los contadores
fotoeléctricos se utilizan en una gran variedad de
aplicaciones, domésticas e industriales, y sustituyen a
los contadores electromecánicos convencionales en
numerosas situaciones. Se pueden emplear para contar personas,
animales y objetos como hojas, botellas, latas, cajas, bolsas,
etc.

VI.1.Diagrama de bloques:

El siguiente esquema pertenece al diagrama
de bloques de este proyecto, es decir, los procesos por el cual
se explica mejor su funcionamiento.

El sistema consta, básicamente, de
un sensor de luz (LDR), un conformador de pulsos, un contador BCD
de 3 décadas multiplexado, un decodificador de BCD a siete
segmentos y un displays de 3 dígitos.

VI.2.Desarrollo del Proyecto y
Gráficos:

En esta figura se muestra el circuito
correspondiente al conformador de pulsos. En condiciones
normales, la fuente de luz ilumina la fotocelda y su resistencia
es muy baja. Como resultado, la entrada del inversor
Schmitt-trigger recibe un alto y su salida es baja.

Cuando se interpone un objeto entre el rayo
de luz y la fotocelda, la resistencia de esta última
aumenta, aplicando un bajo a la entrada del inversor
Schmitt-trigger. Como respuesta, la salida del circuito realiza
una transición de bajo a alto, es decir, produce un flanco
de subida.Cuando el objeto deja de interrumpir el rayo de luz, la
resistencia de la fotocelda disminuye y la salida del inversor se
hace nuevamente baja. El resultado neto de este proceso es la
emisión de un pulso positivo de voltaje. Este pulso se
aplica al contador.Las fotoceldas no responden inmediatamente a
los cambios en la intensidad de la luz incidente y, por tanto,
generan señales lentas. Esta es la razón por la
cual se emplea una compuerta Schmitt-trigger como dispositivo
conformador de pulsos.El potenciómetro R2 permite ajustar
la sensibilidad de la fotocelda de acuerdo a la intensidad de la
luz incidente. La resistencia R1 sirve de protección,
evitando que circule una corriente excesiva cuando el
potenciómetro está en su posición de
mínima resistencia y la LDR está iluminada.El
contador de pulsos es el corazón de este proyecto.
Está desarrollado alrededor de un circuito integrado
MC14553. Este chip, consiste de tres contadores BCD conectados en
cascada.El primer contador registra, en código BCD, las
unidades, el segundo las decenas y el tercero las centenas del
número de pulsos. Por ejemplo, si han ingresado 319
pulsos, en las salidas del primer contador se tendrá el
código BCD 0011 (3), en las salidas del segundo el
código 0001 (1) y en las salidas del tercero el
código 1001 (9).Estos tres códigos se rotan
secuencialmente en las salidas del contador MC 14553, apareciendo
cada uno durante una pequeña fracción de tiempo
(1.6 ms). Esta forma de presentar información digital se
conoce como múltiplex por división de tiempo.Las
salidas del contador alimentan un decodificador 4543B, el cual
convierte cada código BCD en un código de siete
segmentos que excita, secuencialmente, los displays encargados de
visualizar las unidades, decenas y centenas de la
cuenta.

VI.3.Diagrama de conexiones del circuito
completo:En la figura adjunta se muestra el diagrama
esquemático completo del contador fotoeléctrico.
Los pulsos provenientes del conformador se aplican al pin 12 del
MC14553. Para que la cuenta ocurra, las líneas MR (reset
maestro, pin13) y DIS (inhibidor, pin11) deben estar ambas en
bajo.Para iniciar la cuenta a partir de 000 ó cancelarla
en cualquier momento, debe pulsarse el botón de borrado S1
(reset). De este modo, la línea MR (reset maestro pin 13)
del MC14553 recibe un alto y todas las salidas BCD de sus
contadores internos se hacen iguales a 0000.Para detener la
cuenta y congelarla en el último valor registrado, sin
borrarla, debe pulsarse el botón de paro S2 (stop). Cuando
esto se hace, la línea DIS (inhibidor, pin 11) del MC14553
recibe un alto y se inhibe la operación de los contadores
BCD internos.El condensador C1 determina la frecuencia de
exploración, es decir, la rapidez con la cual el MC14553
muestra secuencialmente en sus salidas los códigos de las
unidades, decenas y centenas de la cuenta actual.

VI.4.Placa de Circuito
Impreso:

A continuación voy a narrar a groso
modo los principales pasos que se necesitan para diseñar
una placa impresa. Los principales materiales a utilizar
son:

• Placa baquelita del tamaño
  necesario.

• Papel fotográfico.

• Lija de fierro.

• Acido férrico.

• Agua oxigenada.

• Taladro con broca de 1mm.

• Cautín.

El primer paso es dibujar el proyecto en el
Proteus, un programa de dibujo, simulación y diseño
de pistas para placas impresas, luego el dibujo de las pistas hay
que imprimirlas en papel fotográfico. Para plasmar las
pistas diseñadas e impresas en la placa previamente
lijada, hay que planchar ejerciendo presión sobre la parte
con cobre de la placa hasta observar que la impresión se
ha adherido a la placa, una vez hecho esto pasamos al sumergido
de la placa en una solución de agua oxigenada y
ácido férrico, después de unos 10 minutos ya
tendremos solo las pistas con cobre pues el ácido
habrá derretido la parte con cobre sobrante.

Por último pasamos perforado de la
placa en los puntos que sean necesarios para finalizar con el
montado de los componentes en la placa para una posterior soldada
de los pines de los componentes.

Mejoras del
diseño

• La primera mejora de diseño es
  construir un prototipo, es decir acoplarle a este circuito
  una carcasa para un mejor mantenimiento y cuidado de nuestra
  placa impresa, ya sea para una mejor movilización para
  una posterior instalación de este dispositivo y por
  una cuestión de conservación de los componentes
  usados en este proyecto, además de aislarlo de la
  interperie con el fin de evitar alguna descarga
  eléctrica hacia una persona por una mala
  manipulación o un cortocircuito.

• Hacer las respectivas coordinaciones
  para poder implementar este prototipo en los diferentes
  locales que acojan numerosas personas y que estén
  más propensos a cualquier tipo de accidentes o
  situaciones que comprometan y pongan en riesgo la integridad
  física y la salud de las personas que asistan a dichos
  locales o centros de diversión, tales como discotecas,
  salones de recepciones, clubes, karaokes, etc. Es decir,
  aquellos locales que necesiten de un sistema de
  prevención en caso de algún hecho para poder
  evitar así que la desgracia sea mayor y evitar
  pérdidas humanas.

Referencias
bibliográficas

• es.wikipedia.org/wiki/Contador

• www.hispavila.com/3ds/lecciones/lecc6.htm

• html.rincondelvago.com/electronica–digital_10.html

• www.electronicafacil.net/tutoriales/Contadores–digitales.php

• www.unicrom.com/ElectronicaDigital.asp

• www.electronica2000.com/digital/contdig.htm

• www.youtube.com/watch?v=dlhUth5buKw

• proyectoselectronics.blogspot.com/2008/05/contador–digital.html

• webs.uvigo.es/mdgomez/LEDG/practicas/practica06.pdf

• laimbio08.escet.urjc.es/assets/files/docencia/EDI/tema7.pdf

Enviado por:

Pablo Turmero