Revista de Tecnología - Journal of Technology • Volumen 8 No. 1• ISSN1692-1399 • P. 37-43

Prototipo de laboratorio y especificaciones técnicas industriales de un control semafórico para el Instituto de Financiamiento, Promoción y Desarrollo de Ibagué Lab prototype and industrial technical specifications of a traffic light control for the Institute of Finance, Promotion and Development of Ibague Diana Castro Penagos* Luís Francisco Granada Correcha**

Resumen

Abstract

Para una efectiva, rápida y segura movilización dentro de una ciudad es necesaria una semaforización eficiente, regida por las normativas técnicas internacionales, para lo cual se requieren controles semafóricos modernos que suplan las necesidades de cada cruce, por este motivo, se diseñó e implementó un prototipo de laboratorio de un control para el Instituto de Financiamiento, Promoción, y Desarrollo de Ibagué INFIBAGUE-, según su presupuesto.

For an effective, quick and safe mobilization inside a city is necessary an efficient traffic light management, ruled by the international normative. Therefore, modern traffic lights controls are needed to supply the requirements of each crossing, so as the main objective of this project there was designed and made a laboratory prototype of a traffic light control, which will be implemented by the financing, promoting and development of Ibagué Institute, -INFIBAGUE- according to their funds.

El proyecto contiene seis módulos: una fuente de alimentación con protección contra sobre picos de voltaje y corriente, un circuito lógico que funciona como cerebro del control semafórico, un circuito de potencia que suministra el voltaje y corriente necesarios para las bombillas, un circuito para la programación de la etapa lógica, un circuito de detección de verde conflictivo y un circuito de respaldo para cubrir eventuales daños de la etapa lógica. Palabras clave: Control semafórico, elementos de estado sólido, etapa lógica, horas pico, número de fases, verde conflictivo.

The project contains six modules: a protected against voltage and current overflows power source supply, a logic circuit that works as the brain of the traffic lights control, a power circuit to give the voltage and current needed by light bulbs, a programming circuit for the logic circuit, a green conflict circuit, and a back up circuit for an eventual logic's circuit damage. Key words: Conflict greens, logical step, number of stages, rush hours, solid state elements, Traffic light control.

Recibido: 12/08/08 . Aceptado: 03/09/08. * Facultad de Ingeniería Electrónica - Universidad El Bosque, Bogotá D.C., Colombia. ** Facultad de Ingeniería Electrónica - Universidad El Bosque, Bogotá D.C., Colombia.

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I. INTRODUCCIÓN Uno de los principales problemas que enfrentan la mayoría de ciudades colombianas es intentar proveer un eficaz sistema de semaforización con un presupuesto restringido y una escasa iniciativa de los dirigentes por modernizar los sistemas existentes. Para dar un cambio a esta problemática el Instituto de Financiamiento Promoción y desarrollo de Ibagué ha propuesto invertir en nuevos controles semafóricos, con un eficiente funcionamiento, reduciendo embotellamientos y accidentes en esa ciudad; dándole una mejor calidad de vida a sus habitantes y creciente número de visitantes [1]. Como respuesta a la inquietud de modernizar los actuales controles semafóricos se ha propuesto cambiar la antigua y obsoleta tecnología secuencial con circuitos integrados TTL, por una de microcontroladores PIC que permite reducir el tamaño de las tarjetas, y brindar mayor versatilidad, tanto en la programación de las mismas, como en su implementación en los diversos tipos de cruces existentes [2]. Teniendo en cuenta la tecnología utilizada por las principales empresas a nivel mundial que se dedican al desarrollo de este tipo de controles, se decidió optar por una etapa de potencia con elementos de estado sólido tales como optoacopladores y Triacs, en vez de elementos electromecánicos como relés [3]. Para suplir las expectativas tanto de INFIBAGUE, como de los usuarios de cada cruce, se realizó el diseño e implementación de un prototipo de laboratorio, el cual, con las especificaciones técnicas industriales necesarias y exigidas por los organismos normativos internacionales, pueda ser instalado en la ciudad de Ibagué en cada uno de los lugares en los que sea necesario [4]. Así, se realizó inicialmente un diseño en el cual se efectuó una fuente de alimentación la cual se encuentra protegida contra sobre voltajes y corrientes que pudieran ocurrir en la red pública de 110VA.C.- 60Hz; acto seguido se diseñó una etapa lógica, en la que se logra programar, en un microprocesador PIC, entre dos y cuatro fases para semáforos vehiculares y peatonales y los tiempos de cada color (rojo, amarillo y verde) en cada una de ellas; también se ejecutó una etapa de potencia en la cual se otorga el voltaje y corriente que requieren para su encendido, las bombillas dentro de las mensulas según la programación guardada en la etapa lógica.

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Luego se procedió a realizar un circuito programador, el cual permite cambiar los datos almacenados en la etapa lógica cada vez que sea necesario, sin tener que extraer el microcontrolador y directamente en el lugar de instalación de cada equipo [5]. Posteriormente, se diseñó un circuito de detección de verde conflictivo, que como lo indica su nombre, envía a una rutina de intermitencia a la etapa lógica en caso tal que se encuentre más de una bombilla de verde vehicular de distinta fase en un mismo instante, hasta que el problema haya sido solucionado [6].

II. JUSTIFICACIÓN Colombia, al igual que los demás países latinoamericanos, se enfrenta al reto que presentan alianzas comerciales como el TLC y el grupo de los tres, entre otras, lo cual requiere una gran inversión en infraestr uctura económica, portuaria y vial, en esta última se encuentra la posibilidad de dar una mayor y más rápida movilidad de mercancías y personas en las principales ciudades del país o entre ellas, encontrándose allí Ibagué como una de las ciudades con mayor crecimiento económico del país durante el año 2007. Por este motivo la solución de embotellamientos y disminución en las demoras causadas por daños en los cruces semafóricos deben disminuir a un mínimo para apoyar este fuerte desarrollo de la ciudad. Un punto de vital importancia para la búsqueda de controles más eficientes radica en los altos costos de mantenimiento de las tarjetas antiguas, las cuales por su mal diseño y protección presentan continuamente daños por descargas eléctricas, causadas a partir de rayos, sobre picos y apagones; colocando en riesgo a las personas que transitan diariamente por cada uno de los cruces. Además los controles actualmente instalados no cuentan con las cajas intemperies correspondientes para este tipo de sistemas, presentándose filtraciones, cortos circuitos y robos de cableado. Otro gran problema es el difícil mantenimiento de los controles actuales debido a su mala distribución interna y conexiones poco prácticas, como lo son regletas atornilladas y porta-fusibles que no permiten una visualización rápida de los daños, teniendo en cuenta que el pronto arreglo de estos dispositivos es indispensable para la movilidad de la ciudad.

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III. DESARROLLO

De acuerdo a la fig. 2, la conexión a la línea comercial y la protección del sistema contra sobre picos se realiza de la siguiente manera: • El cableado del control a la línea comercial se toma del poste más cercano al control semafórico, el cual se encuentra a una distancia máxima de 1 m. • El poste tiene 5 líneas de las cuales una es de 220VA.C., 3 son de 110VA.C. y la última constituye el neutro; así se toma para la alimentación del sistema una línea de 110VA.C. y el neutro, las cuales entrarán en un capazote conectado a un tubo galvanizado que se zuncha al poste y que entra en la tierra 15cm; pasando por otros 2 tubos, el primero que va hacia la base de ladrillo del control semafórico y el segundo que entra dentro de la base de ladrillo hasta la caja intemperie que contiene el sistema. A . BL O QU E I I . C I RC U I T O R EGU L A D OR Y RECTIFICADOR 1. Funcionalidad

El diseño global del sistema se dividió en 8 bloques constitutivos, como se aprecia en la Fig. 1. A continuación se detalla cada uno de los bloques constitutivos del diseño global. A. BLOQUE I. CIRCUITO DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRE PICOS DE LA LÍNEA COMERCIAL

La funcionalidad de este bloque es convertir el voltaje de alimentación de 0 - 110VA.C. ± 10%, en voltaje D.C. por medio de un transformador y un puente de a través de un regulador de voltaje, que sale del puente de diodos (5VD.C.) para poder suplir de voltaje los circuitos en la búsqueda de su buen funcionamiento. 2. Regulación de voltaje

1. Funcionalidad La funcionalidad de este bloque es proteger al sistema de sobre picos de voltaje y corriente de la línea comercial 110 VDC (60Hz), por medio de fusibles de disparo rápido y varistores. 2. Conexión a la línea comercial 110 VDC (60Hz)

De acuerdo con la Fig. 3, las funciones del circuito rectificador y regulador son servir de alimentación a los circuitos del programador, etapa lógica, de respaldo y circuito de detección de verde conflictivo. Los componentes del Módulo II corresponden a un puente de diodos y un condensador electrolítico de más de 2200ìF, a un voltaje el doble del voltaje de salida del puente de diodos, o sea de más de 25V, por último, se utiliza un LM7805 el cual regula el voltaje que sale del puente de diodos a 5VD.C. en los 4 circuitos nombrados.

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C. BLOQUE III. CIRCUITO DE LA ETAPA LÓGICA

2. Comparación entre las salidas

1. Funcionalidad

En la etapa de detección de verde conflictivo se toman las salidas de verde vehicular después de la etapa de potencia, desacoplados por optoacopladores 4N35 para lograr obtener voltajes de 5VD.C. los cuales entran a un microprocesador 16F628 en donde se hace una comparación y en caso de que se tengan 2 o más voltajes de 5VD.C en un mismo instante, se envía un voltaje a una entrada del microprocesador de la etapa lógica 16F877 para que dé la orden de enviar todas las fases a intermitencia, que según la normativa internacional, es en amarillo en la fase principal y en rojo en el resto de las fases. El diagrama de bloques del circuito de detección de verde conflictivo se encuentra en la fig. 5.

La funcionalidad de este bloque es almacenar los datos del número de fases a utilizar y los tiempos requeridos en cada color, (rojo, amarillo y verde para los semáforos vehiculares; y rojo y verde para los peatonales). Además, este circuito debe permitir la visualización directa por medio de diodos LED el funcionamiento de las fases y los tiempos programados [7]. 2. Almacenamiento de los datos de fases y tiempos.

E. BLOQUE V: CIRCUITO PROGRAMADOR De acuerdo con la Fig. 4, la etapa lógica consta de un microprocesador 16F877 que almacena el programa de funcionamiento, además de un reloj-calendario PCF8583, con hora y fecha al microprocesador y una memoria EEPROM 24LC02B que almacena los datos de número de fases y tiempos que se dan con la etapa del programador. Las salidas del microprocesador 16F877 de esta etapa son visualizadas por medio de diodos LED que simulan las bombillas de los verdaderos semáforos y sirven de testigo del funcionamiento del programa almacenado. D. BLOQUE IV. CIRCUITO DE DETECCIÓN DE VERDE CONFLICTIVO 1. Funcionalidad En esta etapa se detecta la presencia del verde vehicular simultáneamente en dos o más fases, ya sea por un daño del software o del hardware (corto circuito en las bombillas) y envía un pulso al microprocesador del circuito de la etapa lógica, para que entre en una rutina de intermitencia en la que se enciende la bombilla amarilla en la fase principal y las rojas en las demás fases, para que de esta forma se puedan evitar posibles accidentes de tránsito por daños de este tipo.

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1. Funcionalidad La funcionalidad de este circuito es permitir almacenar y enviar, cada vez que sea necesario, los datos de fases y tiempos al microprocesador de la etapa lógica 16F877 sin necesidad de extraer este último de su lugar en la tarjeta, así se pueden manejar los datos a voluntad según modificaciones en los cruces (ampliaciones, crecimiento del flujo vehicular, etc.) [8]. 2. Almacenamiento y visualización de los datos de fases y tiempos

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De acuerdo con la fig. 6 el circuito programador consta de un microprocesador 16F870, una pantalla LCD (2x16) y un teclado matricial (4x4) para dar a la memoria los datos que debe almacenar sobre número de fases y tiempos.

En la Fig. 7 se puede ver el diagrama de bloques de la etapa de potencia con los diversos elementos que la componen y en las líneas intermitentes se muestran las entradas y salidas de esta etapa.

Este microprocesador 16F870 tiene almacenado el programa de un menú (visualizado en la pantalla LCD), en el cual se preguntan los datos (fecha, hora, número de fases, tiempos en cada color), que se introducen con el teclado matricial y se transmiten a la memoria 24LC02B. Esta etapa se acopla a la etapa lógica por medio de un conector DB9 macho, el cual sólo se conecta cuando se necesite realizar la programación para evitar consumos de energía innecesarios. La programación se puede realizar mientras el sistema se encuentra en funcionamiento, evitando así detener el tránsito mientras se realiza la programación. Para que el microcontrolador de la etapa lógica 16F877 comience con los nuevos datos programados, sólo es necesario desconectar el programador y reiniciar el sistema [9].

La etapa de potencia proporciona el voltaje necesario para que se puedan encender las bombillas de los semáforos, las cuales son de 110VA.C., y brinda protección al sistema con la ayuda de fusibles y varistores para cada una de las 20 salidas posibles del dispositivo, este circuito que tiene una capacidad máxima de salida de 10A, tiene como entradas las salidas de la etapa lógica en donde se realiza la programación del encendido de cada bombilla.

F. BLOQUE VI: CIRCUITO DE LA ETAPA DE POTENCIA Y DE CABLEADO HACIA LOS SEMÁFOROS

La señal de 5VD.C entra a un optoacoplador el cual envía el voltaje a un TRIAC Q4015L5 haciéndolo funcionar como un interruptor, así cuando se envía una señal de encendido desde el microcontrolador 16F877 de la etapa lógica, el TRIAC Q4015L5 permite pasar el voltaje de 110VA.C para lograr encender las bombillas, de esta manera, con el TRIAC Q4015L5 también se logra manejar la corriente necesaria para el manejo de los 10A para los que está especificado el dispositivo.

1. Funciones Las funciones de este circuito son: • Proporcionar el voltaje necesario para el encendido de las bombillas en los semáforos en cada fase programada. • Brindar la potencia necesaria para conectar hasta 10 diferidos por cada una de las bombillas en cada fase según sea necesario. • Interconectar la señal de las salidas del microprocesador en VD.C con un optoacoplador MOC3021 y un TRIAC Q4015L5 (uno por cada salida) a las bombillas que funcionan con voltaje de 110 VA.C. • Desacoplar la tierra del circuito del microcontrolador del neutro de las líneas utilizadas. • Llevar el voltaje de la salida de la etapa de potencia a las bombillas de los semáforos. 2. Manejo de la potencia necesaria para las bombillas.

El cableado hacia los semáforos se realiza por el tubo galvanizado de manera inversa al cable de alimentación con cable AWG 4X16 para los semáforos vehiculares y AWG 3x16 para los peatonales [10]. G. BLOQUE VII: CIRCUITO DE RESPALDO DE LA ETAPA LÓGICA 1. Funciones Las funciones de este circuito son: • Dar soporte de seguridad en caso de daño o bloqueo al microcontrolador de la etapa lógica • Recibir una señal cuadrada de amplitud 5VA.C y frecuencia 1Hz de la etapa lógica mientras esté funcionando, en caso contrario el microcontrolador de respaldo comenzará una rutina en la cual actuaría como si se encontrara un conflicto en verde, dando así una intermitencia en el amarillo de la fase 1 y en el rojo del resto de las fases 2. Entrada de la señal y salida de respaldo El circuito de respaldo de la etapa lógica actúa en el caso en que el microprocesador 16F877 de la etapa lógica se bloque, supliendo sus funciones de la siguiente manera: si el microcontrolador 16F628 de respaldo de la etapa lógica recibe una señal cuadrada de amplitud 5VD.C y frecuencia 1Hz, este se encontrará en suspensión, en caso contrario se activaría y pasaría a correr una rutina de verde conflictivo en la que se encenderían al tiempo y en

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intermitencia la bombilla amarilla de la fase 1 y las rojas de las otras fases vehiculares, además envía un pulso al circuito de respaldo de la etapa de potencia para que esta se desactive. En la fig. 8 se encuentra el diagrama de bloques del circuito de respaldo de la etapa lógica.

MOC3021, para activar 4 de los TRIAC Q4015L5 de 15ª, brindando así la corriente necesaria para encender las bombillas. De la misma manera se alimenta otro optoacoplador MOC3021 con una señal de 5VD.C, que pasa a un TRIAC Q4015L5 de 15A para desactivar la alimentación de la etapa de potencia. I. SOF T WA R E DE PROGRA M ACIÓN DE LOS MICROCONTROLADORES PIC El software necesario en el desarrollo del control semafórico se distribuye en cuatro etapas, las cuales son el programa para el microcontrolador 16F877 del circuito de la etapa lógica, el programa para el microcontrolador 16F870 del circuito programador, el programa para el microcontrolador 16F628 del circuito de la etapa de detección de conflicto en verde, y por último el microcontrolador 16F628 para el circuito de respaldo de la etapa lógica.

H. BLOQUE VIII: CIRCUITO DE RESPALDO DE LA ETAPA LÓGICA 1. Funciones Las funciones de este circuito son: • Dar el voltaje necesario para que se enciendan las bombillas en el caso en el que se active el microcontrolador Microchip de respaldo de la etapa lógica. • Dar la corriente necesaria para que se enciendan las bombillas y sus diferidos en el caso en el que se active el microcontrolador Microchip de respaldo de la etapa lógica. • Detener el paso de la corriente de la etapa de potencia en caso de activación del microcontrolador Microchip de respaldo de la etapa lógica. 2. Deshabilitando la etapa de potencia

Como los microcontroladores fueron escogidos de la empresa Microchip, por motivos de facilidad de disponibilidad y amplia difusión se utilizará también el programa para compilar que se ofrece gratuitamente, denominado MPLAB en su última versión V7.52. Además, para quemar el programa se utiliza ICPROG, de distribución gratuita.

IV. CONCLUSIONES • Con este proyecto se logra suplir la necesidad de un control semafórico eficaz y moderno para el Instituto de Financiamiento, Promoción y Desarrollo de Ibagué (INFIBAGUE). • Con el control semafórico propuesto se disminuyen el tiempo y frecuencia de mantenimiento debido que está diseñado con cajas intemperie y elementos que cumplen con las normativas internacionales. • El control semafórico objeto de este proyecto, permite ser ubicado en cualquier cruce semafórico de la ciudad de Ibagué con solo introducir los datos necesarios en el circuito programador. • El control cuenta con circuitos de protección de Software y Hardware para convertirlo en un equipo seguro contra los daños más comunes, protegiendo de esta forma el sistema de semaforización y a los usuarios del sistema.

El circuito mostrado en la fig. 9 entra a funcionar en el momento en el que el microcontrolador 16F628 del circuito de respaldo de la etapa lógica envía la rutina de verde conflictivo a cuatro de los optoacopladores

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• Dentro del circuito de la etapa lógica se ha destinado un segundo conector DB9 hembra para que se puedan realizar futuras interconexiones entre los controles semafóricos.

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V. REFERENCIAS [1] Cely, Orlando Santiago. Estudios de Capacidad Vial en Intersecciones a Nivel para la Ciudad de Ibagué. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá 2002. [2] Garber, Nicholas J. hoel Lester A. Ingeniería de tránsito y carreteras. Thomson Iberoamerica. Madrid. 2005. [3] Hart, Daniel W. Electrónica de Potencia. Prentice Hall. Madrid. 2001. [4] Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC-, Norma Técnica Colombiana NTC 2050, Código Eléctrico Colombiano. Bogotá. 25 de noviembre de 1998.

[7] Sánchez, Enrique. Sistemas Electrónicos Digitales: fundamentos y diseño de aplicaciones. Servei. Valencia. 2006. [8] Tafanera, Antonio R. Teoría y Diseños con Microcontroladores PIC. Autores. Valencia. 2000. [9] Usategui, José Maria Martinez, Ignácio Angulo. Mic ro cont roladore s PIC: Dis eño P r ác t ico de Aplicaciones. Mc Graw Hill. Madrid. 1999. [10] LEGRAND S.A., características de gabinetes industriales Legrand. 2007. Fecha de consulta 25 de mayo de 2007. Http://www.legrand.com.co

[5] Ministerio de Minas y Energía. Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas. Bogotá. 7 de abril de 2004. [6] Pineda, Mauricio. et al. Manual de Señalización, Dispositivos para la regulación del tránsito en calles, carreteras y ciclorutas de Colombia. República de Colombia, Ministerio de Transporte. Bogotá 2004.

Artículo corto. Los autores declaran que no tienen conflicto de interés. Los Autores

Diana Castro Penagos Ingeniera Electrónica. Universidad El Bosque. Año 2008. Carrera 7 b bis No. 132 - 11 Bogotá D.C. - [email protected]

Luís Francisco Granada Correcha Ingeniero Electrónico. Universidad El Bosque. Año 2008. Carrera 7 b bis No. 132 - 11 Bogotá D.C.

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