Progetto interdisciplinare

Realizzato da Zanfardino Antonio Sonny, 3° ITEC

Pilotaggio della lampada in base allo stato di tre ingressi:

Timer; Sensore di luminosità. Sensore di movimento.Questi sono i nostri ingressi.

Quindi

il nostro circuito sarà una scatola alla quale fanno capo i nostri ingressi.

Progettare con le porte logiche

Per quanto riguarda l’ingresso del timer lo indicheremo come ingresso A. Se A=1 ovvero A=5V vuol dire che in quel momento ci troviamo nell’intervallo orario dalle 18 alle 22. Se A=0 ovvero A=0V vuol dire che ci troviamo nell’intervallo orario dalle 22 alle 18.

QUINDI

Ingresso A: Timer

Per quanto riguarda l’ingresso del sensore di luminosità lo indicheremo come ingresso B. Se B=1 ovvero B=5V significa che l’ambiente circostante è buio o non sufficientemente illuminato. Se B=0 ovvero B=0V significa che l’ambiente è illuminato.

QUINDI

Ingresso B: Sensore di luminosità (fotocellula)

Per quanto riguarda l’ingresso del sensore di movimento lo indicheremo come ingresso C. Se C=1 ovvero C=5V nell’ambiente è stata rilevata una presenza. Se C=0 ovvero C=0V non è stata rilevata alcuna presenza nell’ambiente.

QUINDI

Ingresso C: Sensore di movimento

In sintesi

Per quanto riguarda l’uscita della lampada la indicheremo come uscita U. Se l’uscita vale 1 5V la lampada è accesa, viceversa se l’uscita è zero la lampada è spenta.

Uscita U: Lampada

Definiamo adesso il comportamento che dovrà avere il nostro circuito. Supponiamo che la lampada si debba accendere se l’ambiente è buio oppure in presenza di una persona ma solo dalle 18 alle 22.

Possiamo quindi stendere la tabella di verità del circuito. Con 3 bit in ingresso abbiamo 23= 8 combinazioni possibili e sono elencate nella figura che vedete. Infatti riportiamo da sinistra verso destra le combinazioni possibili dei tre ingressi.

La lampada dovrà essere quindi accesa se il sensore di luminosità indica 1 e quindi in corrispondenza di 1. Sarà 1 anche quando il timer è a 1 e il sensore di movimento vale 1. Se vogliamo scrivere la funzione logica del circuito dobbiamo prendere ciascuna riga della tabella e indicare i relativi ingressi , negati o non negati.

Se prendiamo la terza riga della tabella vediamo che l’uscita vale 1 se:

A vale 0 B vale 1 C vale 0Se prendiamo la quarta riga della tabella

vediamo che l’uscita vale 1 se: A vale 0 B vale 1 C vale 1

Consideriamo la quarta riga della tabella di verità (ancora una riga in cui l’uscita vale 1). Rispetto alla operazione precedente, aggiungiamo una operazione di OR in quanto la lampada dovrà essere accesa in un caso o nell’altro. Tutti e tre gli ingressi sono a livello logico alto, infatti: A=1, B=1 e C=1.

Quindi per realizzare la funzione logica ottenuta dalla tabella di verità, abbiamo bisogno di:

5 porte And a 3 ingressi; 5 porte NOT; 1 porta OR a 5 ingressi.

QUINDI

La funzione così ottenuta la si può semplificare utilizzando la tecnica delle mappe di Karnaugh.

In questa tabella vengono riportati i valori dell’uscita 1 in corrispondenza dei relativi ingressi.

Ad esempio, l’ultimo 1 della tabella di verità (in basso a destra) è in corrispondenza di A=1, B=0 e C=1.

A questo punto si devono eseguire dei raggruppamenti che contengono numero di valori pari a 1. Devono essere i più grandi possibili e devono essere eseguiti fino a raggruppare tutti gli uno presenti all’interno della tabella.

La tabella è ciclica quindi è possibile eseguire un raggruppamento tra due celle adiacenti che sono collocate in alto nella tabella e in basso oppure a sinistra e a destra della tabella. Se “ 1 “ si trova in posizione isolata si deve fare necessariamente un raggruppamento singolo.

A questo punto si guardano tutti i valori e si riportano quelli che rimangono invariati in questo caso B=1. Se il risultato fosse stato B=0 sarebbe apparso negato. Per quanto riguarda il raggruppamento da 2 avremo

A=1 B = 1 C = 1 I bit che rimangono invariati sono A e C.

Per realizzare questo circuito sono necessari due circuiti integrati: il 7408 che contiene 4 porte AND a 2 ingressi e 1 uscita; il 7432 che contiene 4 porte OR a 2 ingressi e 1 uscita. Utilizziamo solo porte NAND quindi cambiamo la porta AND e la porta OR con sole porte NAND.

IL CIRCUITO SI OTTIENE DUNQUE CON 5 PORTE NAND, MA SE ESAMINIAMO LA TOPOLOGIA DEL CIRCUITO…

La presenza di due porte not in cascata non ha alcuna influenza. È possibile rimuovere dal circuito le due porte NOT e collegare l’uscita della prima porta NAND ad una delle entrate della porta NAND che la segue.

Il circuito può essere realizzato utilizzando un solo integrato il 7400 e utilizzando ben 3 delle quattro porte NAND che esso contiene. Abbiamo così ottimizzato sia il numero di componenti ma anche il numero di porte utilizzate all’interno dello stesso componente. Mettiamo in pratico quanto appena realizzato disponendo su bread bord il circuito.

Dalla porta B.2 preleviamo l’uscita che andiamo a collegare alla porta A dell’oscilloscopio, per generare un’onda quadra, incrementando gli stati logici arrivando fino a 7.

Come si vede dal risultato della simulazione l’uscita è a livello alto nel caso si rispettino le condizioni imposte in precedenza.

Abbiamo detto che l’uscita del nostro circuito appena dimensionato andrà a pilotare una lampada. Infatti, se la lampada è a 12 volt ovviamente la porta logica non può pilotare la lampada. Evidente il circuito logico non potrà comandare la nostra lampada quindi occorrerà usare un piccolo circuito di interfaccia di uscita che fornisca la potenza (o meglio la corrente) sufficiente ad accendere la lampada.

In questo caso se l’uscita della porta logica si trova a livello alto, il transistor si trova in saturazione, quindi il comportamento è equivalente a quello dell’interruttore chiuso. Se l’uscita della porta logica è a livello basso, allora il transistor è in interdizione. Viceversa se la lampada è a 220 volt , la circuiteria dovrà essere leggermente diversa, il transistor non piloterà direttamente la lampada ma piloterà un relè.

Se l’uscita è bassa , il transistor è in interdizione e si comporta come un interruttore aperto perciò il contatto normalmente aperto del relè non si chiude e la lampada rimane spenta.

La presenza del diodo serve a proteggere il transistor quando passa dalla saturazione alla interdizione.

Se invece di una lampada dovessimo accendere un led, il circuito sarebbe molto più semplice.

In corrispondenza di uscita alta per il 7400, integrato per porte NAND, la corrente in uscita dalla porta può assumere valore massimo di 0,4 mA . Per pilotare un led sono necessarie correnti dell’ordine della decina di mA e quindi appare evidente che con porte TTL non è possibile quando l’uscita della porta si trova a livello alto. Viceversa se l’uscita della porta è a livello basso, il diodo è interdetto perché sull’anodo e sul catodo è applicata al tensione di alimentazione.

Il valore della resistenza è calcolato con la formula data dalla tensione di alimentazione. 1,2 è la caduta di tensione ai capi del led quando è accesso mentre 0,008 è la massima corrente che vogliamo attraversi il led. Chiaramente è bene scegliere un valore di corrente al di sotto di quello massimo sopportabile dalla porta.

Questo progetto è stato usato nell’impianto domotico realizzato per il progetto ‘’Play Energy’’ ed è stato usato anche come base per la trasformazione di un sistema combinatorio a sequenziale mediante l’utilizzo di ‘’Arduino’’ in Sistemi.

FINE