Semaforo con control automatizado

1. JECC – Universidad ECCI 2015
SEMAFORO CON CONTROL AUTOMATIZADO
Sánchez S. Erika y Correa C. Daniel A.
esanchez8509@gmail.com, dacc007@hotmail.es
Ingeniería Electrónica, Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales ECCI
Bogotá D.C. - Colombia
RESUMEN: El presente documento muestra el diseño e
implementación de dos semáforos automatizados que
controlen el paso de vehículos en dos vías: calle y
carrera utilizando un sistema digital a través de una
FPGA, la cual por medio de sensores y actuadores
permita detectar el cruce de carros en un momento
determinado evitando pérdidas de tiempo en los
cambios de estado y optimizando la movilidad de la
ciudad.
ABSTRACT: This document presents the design and
implementation of two automated traffic lights that
control the passage of vehicles in two ways: street and
race using a digital system with a FPGA , which by
means of sensors and actuators to detect the crossing of
cars at a time determined to avoid down time when
changing and optimizing the mobility status of the city.
PALABRAS CLAVE: Sensor, Actuador, fotocelda,
receptor, transmisor, diodo.
I. INTRODUCCION
En la actualidad, las señales de control de tráfico son
indispensable para el funcionamiento de la movilidad en
una ciudad debido al rápido aumento del
tráfico automovilístico.
El 9 de diciembre de 1868 se instaló el primer semáforo
en Londres. Fue diseñado por el ingeniero
ferroviario John Peake Knight, quién se basó en las
señales ferroviarias de la época. El primer semáforo fue
muy diferente al actual, con dos brazos que se
levantaban para indicar el sentido que tenía que
detenerse, además usó lámparas de gas de colores rojo
y verde para su uso nocturno. Sin embargo, este primer
semáforo era manual por lo que requería que
un policía lo controlase todo el tiempo. [1]
En 1910, Ernest Sirrine mejoró el semáforo volviéndolo
automático. El sistema de Sirrine usó las palabras no
iluminadas «stop » (detenerse) y «proceed » (proceder).
En 1912, Lester Wire, un oficial de policía de Salt Lake
City, optó por regresar al anterior sistema con las luces
rojas y verdes. Aunque era manual, la innovación fue
usar luces eléctricas y un zumbador para advertir del
cambio de estado, además permitía a las estaciones de
policía y bomberos cambiar el estado del semáforo en
caso de emergencias. Por ser un empleado del
gobierno estadounidense su invención nunca fue
patentada.[2]
Los primeros semáforos de tres luces aparecieron en
1920 en las calles de Detroit, Estados Unidos, en
semáforos de cuatro direcciones y en Nueva York,
donde se pusieron a prueba en la Quinta Avenida. En
esa ciudad, meses más tarde, los semáforos entraron
oficialmente en servicio. Sólo dos años despues
empezaron a funcionar de forma automática en toda la
isla de Manhattan. Y en 1953 aparecieron los primeros
semáforos electricos. 8 años más tarde, en el 1961, se
agregó en Berlín, un dispositivo que regulaba la
circulación de los peatones.[3]
En el principio de su funcionamiento se identificaron
problemáticas como la de instalar una gran cantidad de
semáforos pero necesitar policías para cada uno y, la
sincronización entre el rojo y verde de manera eficaz. El
primer sistema de sincronización de semáforos se
instaló en Salt Lake City, Utah, en 1917. Tenía seis
semáforos para cada una de las intersecciones
controlados por un interruptor manual . [1]
El primer sistema automático funciono en el año 1922,
en Houston, Texas donde una torre central controlaba
doce intersecciones sin intervención humana por medio
de un programador eléctrico. El sistema automático no
llegaría a Europa hasta una década después.[4]
II. DESARROLLO
Se diseñan dos semáforos que controlan el cruce de los
vehículos entre la intersección de una calle y una
carrera, en cada esquina se encuentran ubicados los
semáforos los cuales manejan un tiempo de 3seg para
el cambio de luz entre rojo , amarillo y verde.
Este cambio se realiza porque tenemos en cada esquina
una fotocelda la cual nos detecta la presencia de los
autos y envía la señal de cambio de estado al respectivo
semáforo activando el temporizador secundario de 10
seg el cual bloquea el semáforo primario.
Mientras los carros de la calle están detenidos porque el
semáforo esta en rojo , los de la carrera están fluyendo
porque el semáforo esta en verde , el cambio de estado
es controlado por el temporizador primario.

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El tiempo total que dura cada semáforo en realizar el
cambio de rojo , amarillo y verde es de 9seg.
Figura 1: semáforo en 3D
A. Análisis mediante máquina de estados
De acuerdo a las variables relacionadas en nuestro
sistema de semaforización, realizamos una máquina
de estados los cuales cambian al momento de
activación de las temporizadores dada una señal de
las fotoceldas.
Figura 2. Máquina de Estados
B. Análisis y descripción de estados
Convenciones
R Luz Roja
A Luz Amarilla
V Luz Verde
Tp Temporizador Principal
Ts Temporizador Secundario
F1 Fotocelda 1
F2 Fotocelda 2
Tabla 1 : Convenciones
ESTADOS R1 A1 V1 R2 A2 V2 Tp Ts F1 F2
E1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0
E2 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0
E3 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
E4 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1
E5 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0
E6 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
Tabla 2 : Relación posibles estados
- Análisis de estados :
Estado E1 : En este estado el semáforo de la calle está
en verde y el semáforo de la carrera está en rojo. Al
detectar presencia de vehiculo la F1 envia señal al Ts
para que se active y realice bloqueo de semáforo
carrera durante 10 segundos .
Durante este tiempo el semáforo de la calle continua en
verde controlado por el temporizador primario.
Estado E2 : En este estado el semáforo de la calle
cambia a color amarillo y el semáforo de la carrera
continua en rojo.
Estado E3: En este estado el semáforo de la calle
cambia a color Rojo y el semáforo de la carrera continua
en rojo.
Estado E4: En este estado la F2 detecta presencia de
vehiculo , envía señal al temporizador secundario y
bloquea el semáforo de la calle dejándolo en rojo , el
semáforo de la carrera de inmediato cambia a verde.
Estado E5: En este estado el semáforo de la calle
cambia a color amarillo y el de la carrera continua
bloqueado.
Estado E6: En este estado el semáforo de la calle
cambia a color rojo y el de la carrera permanece en rojo
hasta recibir una señal de F1 o completar los 9
segundos de duración total de los estados.
Tabla 3 : Relación de estados y salidas
Figura 3: Diagrama esquemático en VHDL
ESTADOS R1A1 V1R2 A2 V2 ECUACION NUEVO ESTADO R1 A1 V1 R2 A2 V2
E1 1 0 0 0 0 1 Tp.Ts.F1.F2 E2 1 0 0 0 1 0
E2 1 0 0 0 1 0 Tp.Ts.F1.F2 E3 1 0 0 1 0 0
E3 1 0 0 1 0 0 Tp.Ts.F1.F2 E4 0 0 1 1 0 0
E4 0 0 1 1 0 0 Tp.Ts.F1.F2 E5 0 1 0 1 0 0
E5 0 1 0 1 0 0 Tp.Ts.F1.F2 E6 1 0 0 1 0 0
SEM AFORO
2 FINAL
SEM AFOR
O 1
SEM AFORO
2 FINAL
SEM AFOR
O 2 INICIAL

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III. Bases Teóricas
C. Definición Sensor
Un sensor transforma magnitudes químicas o físicas en
unidades de medida eléctrica. Las variables pueden ser
de temperatura, aceleración, intensidad luminosa,
distancia, inclinación (acelerómetros), desplazamientos,
presión, PH, fuerzas, torsión, humedad, proximidad, etc.
[5]
• Los sensores son un tipo de transductor. Dispositivos
capaces de transformar variables físicas en otra
diferente. Los sensores pues, se caracterizan en que se
usan para medir la variable transformada,
Dando como resultado una tensión eléctrica, lo que
implica su fácil manejo.[5]
Sensor Fotoelectrico:
Un sensor fotoeléctrico (También llamados ópticos) es
un dispositivo electrónico que responde al cambio en la
intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un
componente emisor que genera la luz, y un componente
receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Están
diseñados especialmente para la detección, ausencia,
clasificación y posicionado de objetos; la detección de
formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo
condiciones ambientales extremas.[5]
D. Definición Fotocelda
Una fotocelda es un dispositivo electrónico que es capaz
de producir una pequeña cantidad de corriente eléctrica
al ser expuesta a la luz. Entre sus aplicaciones típicas
están las de controlar el encendido-apagado de una
lámpara, por ejemplo, o de producir el voltaje suficiente
para recargar una batería o cualquier otra aplicación en
que se requiera una fuente de voltaje.
Este tipo de dispositivos son distintos a las celdas
solares y paneles solares. [6]
Una fotocelda es una resistencia, cuyo valor en ohmios,
varía ante las variaciones de la luz.
Estas resistencias están construidas con un material
sensible a la luz, de tal manera que cuando la luz incide
sobre su superficie, el material sufre una reacción
química, alterando su resistencia eléctrica.
– Presentan bajo valor de su resistencia ante la
presencia de luz
– Presentan un alto valor de resistencia ante la ausencia
de luz
La fotocelda se emplea para controlar el encendido
automático del alumbrado público. También se utiliza
ampliamente en circuitos contadores electrónicos de
objetos y personas, en alarmas, etc. [6]
Figura 3 : Diagrama Fotocelda
Fuente: http://fotoelectronicproject.blogspot.com.co/
Aplicaciones de los Sensores de Luz
• Barreras Fotoeléctricas (conteo y detección de
personas u objetos)
• Lectores de Códigos de Barras
• Termómetros Infrarrojos
• Controles automáticos de Iluminación
• Dispositivos de Identificación Biométrica
• Controles Remotos
• Estándar IRDA (para dispositivos móviles,
computadores, etc.)
• Colorimetría
• Visión Nocturna (Cámaras Infrarrojas, etc.)
• Densitómetros
• Exposímetros (para fotografía)
• Lectores de Discos Ópticos
• Fibra Óptica, etc.
ACTUADORES
E. Definición LED
El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como
un diodo común, pero que al ser atravesado por la
corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de
varios colores que dependen del material con el cual
fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo,
ámbar, infrarrojo, entre otros.
Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un
diodo de silicio o germanio.

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Si se pasa una corriente a través del diodo
semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las
regiones P y N, respectivamente. [7]
Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay
recombinación de los portadores de carga (electrones y
huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman
recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz).
La relación entre las recombinaciones radiantes y el
total de recombinaciones depende del material
semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP, y GaP). [7]
Dependiendo del material de que está hecho el LED,
será la emisión de la longitud de onda y por ende el
color. Ver la tabla más abajo debe de escogerse bien la
corriente que atraviesa el LED para obtener una buena
intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar.
El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a
2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes
que debe circular por él está entre los 10 y 20
miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre
los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros Leds.
Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las
lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo
de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida
aproximada de 100,000 horas.
El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad
de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay
picos inesperados puede dañarse. Una forma de
protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero
apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio
común.
Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente
en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta
situación específica de funcionamiento. [7]
Figura 4 : Diagrama LED
Fuente : http://www.unicrom.com/Tut_diodo_led.asp
Tabla 4 : Informacion Led
Fuente : http://www.unicrom.com/Tut_diodo_led.asp
IV. PROTOTIPO FINAL
De acuerdo a las bases teóricas investigadas y
aplicadas obtuvimos un prototipo de semaforización
automatizada mediante el análisis de maquinas de
estados , implementación en VHDL , uso de sensores
(fotoceldas) y actuadores (diodos LED ).
Figura 5 : Prototipo Final
V. CONCLUSIONES
- Se debe realizar una correcta sincronización de
los tiempos del temporizador, ya que de esto
depende el correcto funcionamiento en el
momento de bloquear alguno de los semáforos;
Cuando el semáforo se reactive debe entrar en
sincronía con el circuito y operar con
normalidad.
- Se implemento el proyecto con fotoceldas,
donde se vario distancia y sensibilidad de
respuesta con un trimmer .
- Siempre se deben plantear los estados y
tiempos de forma ordenada para evitar que en
la implementación y pruebas la máquina de
estados omita alguno de ellos y no se obtenga
el resultado esperando.
VI. REFERENCIAS
[1] Articulo : Semaforo (2015) . Wikipedia Online.
Available:
https://es.wikipedia.org/wiki/Sem%C3%A1foro
[2] Articulo :Semaforos (2013). Wikispaces
Online. Available:
https://semaforos.wikispaces.com/Historia
[3] Articulo: Historia del Semaforo – 100 años dirigiendo
el trafico (2014). Noticias Coches.com
Online. Available:
http://noticias.coches.com/noticias-motor/historia-del-
semaforo-cien-anos-dirigiendo-el-trafico/138897
[4] El tamiz (2007).Inventos ingeniosos-el semáforo,
[Online].Available:
http://eltamiz.com/2007/06/30/inventos-ingeniosos-el-
semaforo/

5. JECC – Universidad ECCI 2015
[5] Articulo : Sensor Fotoelectrico (2015) . Wikipedia
Online. Available:
https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_fotoel%C3%A9ctric
o
[6] Articulo: Que son las Fotoceldas (2012). CEMAER ,
Online. Available:
http://www.cemaer.org/que-son-las-fotoceldas/
[7] Electrónica Unicrom (2012).Diodo led,
[Online].Available:
http://www.unicrom.com/Tut_diodo_led.asp
AUTORES
DANIEL AUGUSTO CORREA
Tecnologo en Electrónica, con
conocimiento en PLC , hidraulica
y neumatica , mecanica básica
programable y Electrónica de
potencia.
ERIKA SANCHEZ SANDOVAL
Técnica en Ing. Electrónica, con
conocimiento en mantenimiento,
reparación y venta de equipos
electrónicos , redes de
comunicaciones , cableado
estructurado, GPS y sistemas
de información geográfica.
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