Tacómetro Visualiza el número de revoluciones correspondiente a los impulsos recibidos. Uno de los instrumentos básicos para el profesional de la electrónica es el frecuencímetro, los circuitos integrados más usados para este propósito han sido el ICM7216 y el ICM7226 que han sido usados por todos los que necesitan construir un frecuencímetro. Con el uso de un microcontrolador se consigue simplificar el circuito y a la vez ampliar las posibilidades de este, así no solo funciona como frecuencímetro sino que además es contador de impulsos, mide el periodo de una frecuencia, mide las revoluciones (tacómetro), puede servir también como generador de baja frecuencia y por si esto fuese poco aún puede hacer las funciones de un pequeño analizador de señal de un canal. En modo frecuencímetro puede sumar o restar un valor programado a la frecuencia leída, esto es necesario para visualizar la frecuencia de un receptor sumando o restando la frecuencia intermedia, pero esto también implica un mayor costo y además el circuito se complica demasiado, por lo que se pueden utilizar solo algunos circuitos TTL y CMOS que disminuyen por mucho el costo y también la complejidad, esto también debido a que se trabaja con un circuito de propósito mas especifico que a diferencia del circuito construido con microcontrolador puede desarrollar varias funciones pero algunas de estas en ciertos casos pueden ser completamente inútiles para el usuario final. Descripción del tacómetro

El funcionamiento del tacómetro se puede describir empezando desde el transductor (interfase que se pone en contacto físico con el sistema a medir), este mide el número de revoluciones que el sistema desarrolla en 1 segundo, este lapso de tiempo o llamado también ventana de tiempo es controlado por un timer a base de un cristal de cuarzo. El número de revoluciones es contado por los circuitos integrados del tipo contador BCD, estos a su vez almacenan el valor obtenido en un circuito latch, después de aquí este valor pasa a los convertidores BCD que mandan desplegar su valor a los displays de 7 segmentos. Todos y cada uno de estos procesos deben ser controlados por un autómata, el cual emite las correspondientes señales que activan o desactivan a las distintas partes que conforman al sistema. Este autómata se diseñó a partir de una carta ASM que también a su vez se obtuvo de un diagrama a bloques, elaborado a partir del funcionamiento lógico aquí descrito. En general el tacómetro es un instrumentos que cuenta o mide ciertos eventos que ocurren durante cierto intervalo de tiempo. El tacómetro debe ser capaz de contar el número de vueltas en cierto tiempo, y expresar el resultado por medio de un display. Básicamente el tacómetro cuenta con seis módulos:

1. El registro de almacenamiento. 2. Visualización.

1

3. Contador. 4. Autómata. 5. Ventana de tiempo. 6. Dispositivo opto electrónico.

A continuación se presenta el diagrama a bloques de lo que es el tacómetro:

Diagrama a bloques del tacómetro digital. Autómata El autómata debe manejar las siguientes señales:

1. Debe dar la señal de disparo para la base del tiempo (ventana de tiempo).

2. Emite la señal para habilitar la cuenta en los contadores BCD. 3. Activa la señal de carga para el latch. 4. Proporciona una señal de borrado. 5. Recibe una señal de término, esto sucede cuando la ventana de tiempo

se ha cerrado. De acuerdo a lo anterior podemos elaborar la carta ASM (diagrama ASM) del autómata. Máquinas de estado ASM: El diagrama ASM es un tipo especial de diagrama de flujo adecuado para describir las operaciones secuenciales en un sistema digital. El diagrama esta compuesto de tres elementos básicos: la casilla de decisión, la casilla de estado y la casilla condicional. Un estado en la secuencia de control se indica con una casilla de estado, en la cual se escriben operaciones de registro o nombres de señal de salida que el control genera mientras se encuentra en

BASE DE TIEMPO

AUTOMATA DISPLAY

CONVERTIDOR BCD

LATCH

TRANSDUCTOR CONTADORES

VISUALIZACION L

hc

IniB Toff

Reset

L

hc

Reset

IniB Toff

Ini B : Inicio ventana de tiempo. L : Habilita latch. Res : Reset. hc : Habilita cuenta. Toff : Fin de ventana de tiempo.

2

este estado. El estado recibe un nombre simbólico el cual se escribe en la esquina superior izquierda de la casilla. El código binario asignado a esta casilla se coloca en la esquina superior de la derecha. La casilla de decisión describe el efecto de una entrada en el subsistema de control. Es una casilla con forma de rombo con dos o más trayectorias de salida. Las casillas de estado y decisión se conocen por su uso en los diagramas convencionales de flujo. El tercer elemento, la casilla condicional y los otros diagramas se muestran a continuación: Bloque de estado

Registro de operacion o salida

Nombre Codigo binario

Bloque de decisión

Condicion0 1

Bloque condicional

Registro de operacion o salida

Los tres bloques fundamentales de las maquinas algorítmicas ASM. De acuerdo con lo anterior la carta ASM del autómata queda como a continuación se muestra en la figura:

Carta ASM que describe al autómata para el sistema.

TOFF

C <— 0 hc<— 0

L <— C

IniB <— 0

hc <— 1

T0

T3

T2

T1

01

C <— 0

L <— c

T4

T5

3

Desarrollo del circuito del autómata a partir de la carta ASM Codificación de la carta ASM Haciendo un control alambrado empleando un flip-flop de tipo D por estado se hará la codificación a partir de los circuitos equivalentes para cada elemento del diagrama como a continuación se muestra: A cada estado se le asigna un flip-flop del tipo D

Bloque de estado

Registro de operacion o salida

Nombre Codigo binario D Q Entrada

CP

Salida

A cada bloque de estado se le asigna un flip-flop de tipo D

Entrada X

Salida 0 Salida 1

Bloque de decisión

Condicion 0 1

El bloque de decisión es sustituido por un par de compuertas como se muestra en el esquema

Salida

Entrada 2 Entrada 1

Salida

Entrada 1 Entrada 2

Cuando existe un nodo con dos entradas y una salida se sustituye con una compuerta OR

Salida

Entrada X

X

Entrada

Salida

La combinación entre los bloques de decisión y condicional se sustituyen por la compuerta AND

Haciendo estas consideraciones finalmente el circuito del autómata queda como a continuación se muestra en el diagrama siguiente.

4

D Q

D Q

D Q

D Q

D Q

D Q

CLK hc, Ini B

L

Reset

Toff

hc

L

Reset

0 ó 1 T0

T1

T2

T3

T4

T5

FF 0 FF 0 FF 0

FF 1 FF 1 FF 1

Circuito para el autómata en base al diseño de un flip-flop por estado.

T0 T1 Ini B T2

Reset L

hc T3 T5 T4

Para la construcción del circuito autómata se utilizaron los circuitos TTL de los modelos:

• Flip flop tipo D 74LS377 • Compuertas AND 74LS08 • Compuertas NOT 74LS04 • Compuertas OR 74LS32

Nota: en el apéndice A al final del reporte se muestran las hojas de especificaciones de los circuitos integrados enlistados. Contador Para la parte de los contadores se utilizaron los circuitos integrados 74LS93 conectados entre si como se muestra en el siguiente esquema, además para el acoplamiento de dichos circuitos integrados se utilizaron algunas compuertas AND y OR. Los integrados se tienen que conectar de manera en que cada nueve unidades, se haga el cambio en la siguiente cifra significativa, para poder expresar las unidades, decenas y centenas.

5

10

5 Q8

Q9

Q10

Q11

12 9 8 11

14 1 2 3

Vcc

C E N T E N A

10

5 Q0

Q1

Q2

Q3

12 9 8 11

14 1 2 3

Vcc

U N I D A D

10

5 Q4

Q5

Q6

Q7

12 9 8 11

14 1 2 3

Vcc

D E C E N A

CLK

Vcc

Reset

Diagrama de conexión de integrados para unidades, decenas y centenas.

Nota: en el apéndice A se muestra la hoja de especificaciones del circuito integrado 74LS93. Visualización Para la parte de la visualización se engloban los dos elementos display y convertidor BCD que en nuestro caso se utilizo el convertidor BCD 74LS47N y además tres unidades de display de siete segmentos de cátodo común.

6

a

bg

c

d

e

f

g f Vcc a b

e d Vcc c h

h

74LS47N

Vcc f g a b c d e

A1 A2 LT B1/R0 RB1 A3 A0 GND

Asignación de patitas entre el convertidor BCD y el display de 7 segmentos.

Nota: para mas detalles acerca de la asignación de patas del circuito integrado 74LS47N, ver hoja de especificaciones en el apéndice A al final del reporte. Registro de almacenamiento Como ya se comento en la parte de la introducción, una parte del sistema consta de registros de almacenamiento, que son las llamadas latch y están implementadas por dos circuitos integrados, cada uno de ellos consta de dos latch y son del tipo o modelo 74LS377 que se encargan de almacenar momentáneamente el valor obtenido por el transductor y los contadores se puede decir que es como una memoria que almacena un valor por algunos instantes. Nota: el uso de estos circuitos integrados es muy sencillo, por lo que se puede apreciar mas detallada la configuración de patas de este circuito en el apéndice A, al final del reporte. Dispositivo opto electrónico El dispositivo opto electrónico o transductor esta formado por un par de led’s infrarrojos, emisor y receptor dispuestos en la siguiente configuración como pudo investigarse en un libro de opto electrónica.

7

5V Rb100KΩ Rc10KΩ

Rv10KΩ Led infrarojo

S A L I D A

220Ω

PN2222A 5V

Diagrama del dispositivo opto electrónico, led’s emisor receptor infrarrojos

Este dispositivo consta de de una pequeña pieza de metal en forma circular (figura A), la cual tiene en la orilla un pequeño orificio, este pequeño disco fue montado sobre un eje, a los lados se pusieron los led’s emisor y receptor (figura B) de tal modo que cuando el disco gira, el pequeño orificio permite la recepción de luz infrarroja en el receptor y esto nos da como resultado obtener en la salida una señal instantánea de amplitud de 5 volts. Este pequeño sistema esta acoplado a un sistema mecánico que consta de un rotor montado sobre dos pequeños valeros Figura C) y es el que se pone en contacto directo con la rueda o sistema giratorio, este contacto se hace con una pequeña goma que se coloca en el centro del sistema rotatorio, esto se debe hacer preferentemente cuando el sistema esta en marcha y se hace lentamente y con mucha precaución. Figura B

Receptor Emisor Embrague

Disco giratorio de metal

8

Orificio donde pasa la

luz infraroja

Orificio del eje rotatorio Figura A En la figura A se puede ver el disco de metal que gira sobre un eje que es movido por el sistema a medir (revoluciones por segundo), también tiene un orificio por donde pasa la luz infrarroja y que se convierte en impulsos eléctricos que se contabilizan por los contadores. En la figura B se aprecia el circuito en donde esta montado el disco de metal con orificio, a sus lados se muestran el emisor y receptor infrarrojos, también se señala la parte que hace el embrague de la flecha montada sobre los dos valeros con la parte electrónica. Figura C

En la figura C se muestra el transductor maquinado en aluminio, esto con el fin de hacerlo resistente a los distintos sistemas giratorios a medir, de esta manera se puede muestrear un sistema a pesar de la velocidad a la que gire o a la vibración que este produzca. Contiene un par de valeros, los cuales permiten el libre movimiento del rotor sin llegar a frenar al sistema a medir, en la punta lleva un trozo de goma para acoplar al centro de la rueda a la cual se le medirán las vueltas en un segundo, se escogió la goma como material de construcción, para evitar que se patine.

Balero

Ventana de tiempo La ventana de tiempo es la que se encarga de contar el tiempo que transcurre desde que se activa a través del autómata hasta que pasa un segundo

Balero Goma paraacoplar a

los sistemas giratorios

Cable

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exactamente y esta construido con un cristal de cuarzo que es mas exacto que un timer 555. El circuito esta constituido básicamente por el cristal de cuarzo con valor de frecuencia de 32,768 Hz y un circuito integrado CD4060B que es un circuito CMOS, este circuito tiene la función de dividir varias veces la frecuencia original del cristal(por lo regular alta) hasta obtener la frecuencia deseada que en nuestro caso es de un segundo, debido a esto se tuvo que utilizar adicionalmente un Flip-Flop tipo D doble que divide la frecuencia entre 4 ya que no se lograba obtener la frecuencia deseada con el circuito integrado CD4060B. El diagrama del circuito se puede apreciar en la figura 1.

CD4060BC

Vcc

12

3

11 10

74LS74

8

16

2 7

14

3 6

12 8 11

5

Xtal

10pF 39pF

330K

15M

A los contadores

Figura 1 En esta figura se puede apreciar el circuito obtenido de la bibliografía utilizada para este fin, este circuito consta básicamente del cristal de cuarzo y de los circuitos integrados 4060 y 74LS74 que se encargan de dividir sucesivamente la frecuencia, hasta obtener la frecuencia deseada.

Circuito final Todo el circuito se ha montado sobre un protoboard o tablilla de experimentación, se ha cuidado mucho el revisar que todos los alambres hagan contacto para evitar fallas por problemas en los componentes o alambres mal instalados, para esto se obtuvo un protoboard nuevo y montado sobre una sola placa de metal. En el caso de los display’s de 7 segmentos, se procedió a soldar todas y cada una de las resistencias a fin de ahorrar espacio y minimizar fallas por falso contacto figura 2. Figura 2 Parte del display

Resistencias soldadas para ahorrar espacio y evitar falsos contactos

10

1

23 4

5

6

Partes del circuito 1.-Automata 2.-Contadores 3.-Circuito optoelectronico 4.-Memorias Latch 5.-Circuito de display 6.-Temporizador de cristal

Figura 3 Circuito completo En la figura 3 podemos ver el circuito con todas las partes que lo componen montado en una tablilla de experimentación de laboratorio que a su vez esta montada en una placa de metal para evitar movimientos bruscos y falsos contactos. Reporte de resultados Se hicieron algunas mediciones de velocidad de rotación con el circuito ya funcionando y con la ayuda de un motor mediano de velocidad variable, pudiendo registrar una velocidad mínima de 6 revoluciones por segundo, que al multiplicar por 60 nos da un resultado de 360 rev/min. Como no se contaba con un tacómetro comercial, ya sea mecánico o electrónico, se hizo la medición del motor variable a su máxima velocidad que era de 2700 revoluciones por minuto, al medir su velocidad con el tacómetro se registro un valor de 45 rev/seg, es decir

(45 rev/seg)(60 seg) = 2700 rev/min.

El tacómetro construido tiene la capacidad de medir hasta 999 rev/seg, esto es

(999rev/seg)(60 seg) = 59,940 rev/min.

Sin embargo tal medición no se podría hacer debido a la enorme velocidad que este sistema desarrollaría esto representaría un peligro para la persona que tendría que hacer el registro, ya que al acoplar el tacómetro a la flecha del sistema rotatorio se sentiría una vibración muy fuerte. Se hicieron también algunas pruebas del tacómetro introduciendo una frecuencia con el auxilio de un generador de funciones y corroborando el

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resultado con un osciloscopio digital. En la siguiente tabla se reportan los valores obtenidos. Nota: la señal que se introdujo fue una señal cuadrada de amplitud 2 volts. Valor introducido (Hz) Valor medido (Hz) Valor medido (Hz) Generador de funciones Osciloscopio Tacómetro

10 10.4 10 20 20.6 20-21 30 30.4 30 40 40.5 41 50 50 50 60 60.6 60 70 70.4 70 80 80 80 90 89-90 89-90 100 100.4-100.8 100-101 150 150.6 150-151 200 200.4-200.8 200-201 300 299-300 299-300 400 402.6-403.2 402-403 500 500-501 500-501 600 602.4-603 602-603 700 699.3-700.3 700-701 800 802.6-803.9 802-805 900 899.3-900.9 899-902 999 998-999.1 997-1001

Tabla de valores obtenidos en el laboratorio

12

Dia

gram

a de

l circ

uito

com

plet

o

El

circ

uito

in

tegr

ado

desc

rito

com

o 40

50,

fue

sust

ituid

o po

r el

circ

uito

406

0

Not

a:

A

Parte del display

B

Parte de registros Latch

C

Parte de los contadores

D

Parte del automata

E

Part

e de

l tem

poriz

ador

de

cris

tal

F

Parte optoelectronica

G

Conclusiones

El circuito diseñado es bastante sencillo en funcionamiento, además de ser una buena opción para quien no tiene a su alcance los microcontroladores y los programadores que se requieren para programar un dispositivo de estos o simplemente porque no sabe utilizarlos, esto también porque todos los integrados utilizados son de tipo TTL que es un tipo de circuito muy barato y que trabaja con poco voltaje y corriente. Debido a que no se contaba con el equipo adecuado como lo es un torno mecánico, mismo que para el cual se requería además saber utilizarlo, las partes del transductor se hicieron con piezas sencillas como la varilla del rotor que requería de un acero mas grueso y también que este estuviera templado para poder soportar velocidades mas altas sin que se enchuecara o doblara, ya que la vibración del rotor acoplado a un motor potente llega incluso a adormecer los dedos de quien lo esta utilizando, sin embargo este instrumento diseñado es mas seguro que aquellos tacómetros mecánicos de distribución comercial, gracias a que cuenta con un mango bastante fuerte de aluminio. Dado que en la universidad no se pudo conseguir un tacómetro mecánico o de otro sistema cualquiera y también porque su costo es alto, no se pudieron hacer pruebas comparativas para saber si el instrumento comercial o el diseñado funcionaban mejor. Se tuvieron algunos problemas con la parte del circuito del temporizador o también llamado ventana de tiempo, esta se hizo utilizando un cristal de cuarzo y gracias a esto el instrumento es bastante confiable esto dicho porque se hicieron algunas pruebas de laboratorio mismas que se incluyen en este reporte, para estas pruebas se utilizo un osciloscopio digital y los datos que se pudieron obtener fueron muy cercanos a los del osciloscopio. Los problemas con la parte del temporizador se solucionaron modificando ligeramente el circuito, estas modificaciones están ya incluidas en el diagrama del circuito. También en el diagrama del circuito completo se muestra un circuito integrado cuya tarea es dividir varias veces la frecuencia del cristal de cuarzo, se trata del circuito CD4050 cabe aclarar que este circuito se sustituyo por el CD4060 porque tenia un mejor desempeño y también porque simplificaba aun mas nuestro circuito completo. El circuito CD4050 y el CD4060 tienen la misma configuración de terminales, solo que el CD4060 hace mas divisiones de frecuencia que el anterior nombrado.

Apéndice A

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Bibliografía “Optoelectronics Theory and practice”, Mc. Graw Hill Book Company “Diseño digital”, M,Morris Mano, Prentice Hall. “Sistemas digitales principios y aplicaciones”, Tocci-Wildmer, Prentice Hall.

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