Semaforo inteligente implementado en vhdl

Proyecto Final Sistemas Digitales 1

1. U. ECCI JECC 2016

Semáforo Inteligente Implementado Con VHDL

Moreno S. José David, Conde Julián David, Cortes A. Carlos Armando
[email protected],[email protected], [email protected]

Universidad Escuelas Colombiana de Carreras Industriales
Bogotá D.C., Colombia


Resumen— el siguiente documento presenta el
desarrollo de un semáforo inteligente, que
evaluando la cantidad de tráfico daría prioridad
al carril con mayor flujo de carros.
El propósito de este diseño es disminuir el tráfico
en calles con mayor flujo vehicular, a través de
un semáforo inteligente, ya que en una ciudad
como Bogotá está problemática es muy
frecuente.
El desarrollo del prototipo se realizó en lenguaje
VHDL a través de FPGA.

Abstract- The following document presents the
development of an intelligent traffic light that
evaluating the amount of traffic lane would
prioritize increased flow of cars.
The purpose of this design is to reduce traffic on
streets with more traffic flow through an
intelligent traffic light, because in a city like
Bogota is problematic is very common.
The development of the prototype was made in
VHDL through FPGA.

Palabras Claves— tráfico, semáforo inteligente,
VHDL, FPGA
I. INTRODUCCIÓN
Hablar del semáforo es referirse al más
importante elemento de control de tránsito, pues
este aparato regula la circulación en las vías con
mayor flujo de vehículos. El Código Nacional de
Tránsito define al semáforo como un dispositivo
electrónico para regular el tránsito de peatones y
vehículos mediante el uso de señales luminosas
(Nullvalue, 1996) [1].
Se es consciente de la gran problemática que vive
Bogotá a diario por los trancones y el gran flujo
vehicular que maneja esta ciudad.
Es un tema que a todo ciudadano lo afecta de una
manera diferente.
Un semáforo desarrollado de forma inteligente
puede ser una solución alternativa a esta
problemática, por ello se ha realizado un prototipo a
escala, por medio de código de VHDL, el cual está
encargado censar el flujo vehicular en cada vía y
darle prioridad a la que mayor tráfico tenga.
Además de que este diseño a escala tendrá un
toque futurista lo que hará más llamativa su
implementación.


II. DESARROLLO
El semáforo es un controlador del tráfico usado
en todo el mundo, es lo más eficiente que hasta hoy
en día existe, por ende este trabajo mejoraremos lo
ya existente, por medio de programas de
computadora, sensores, entre otros aditamentos para
mejorar el rendimiento de este aparato de gran
importancia en el mundo.
En el siguiente trabajo se expondrá una idea
innovadora y funcional, para mejorar la vialidad de
los autos.
El trabajo consistirá en explicar cada elemento
que conlleva el semáforo inteligente, tales como los
sensores, los controladores del semáforo, el
programa que se adaptara para cumplir con su
función, los dispositivos que controlan, entre otras
cosas que se le adaptaran a los semáforos (que sean
posibles) o crear unos nuevos con la mejor

2. U. ECCI JECC 2016

tecnología posible y al menor costo, pero con un
funcionamiento eficaz, seguro e independiente.

A. SEMAFORO.
Los semáforos, también conocido técnicamente
como señales de control de tráfico, son dispositivos
de señales que se sitúan en intersecciones viales y
otros lugares para regular el tráfico, y por ende, el
tránsito peatonal (wikipedia, 2016)[2].

Para el desarrollo del proyecto el semáforo es uno
de los objetos principales ya que para este caso, no
va hacer un semáforo convencional. El semáforo
que se trabajara será una lámina en acrílico sobre el
piso en el cruce de las dos vías (Imagen 1). La
lamina permite la visualización del color en el cual
se encuentra el semáforo, por ejemplo, si el
semáforo se encuentra en rojo, el piso (la lámina de
acrílico) alumbrara de color rojo, teniendo en
cuenta la independencia de cada semáforo, ya que
para cada calle será un color diferente.



Imagen 1. Lamina de Acrílico



Imagen 2. Luz Amarilla



Imagen 3. Luz Roja


Imagen 4. Luz Verde


B. CONTROLADOR DEL SEMAFORO.
Para el control del Semáforo Inteligente
utilizaremos una máquina de estados, que nos
permitirá incorporar los sensores de tráfico, aparte
de las funciones normales que cumple un semáforo
convencional.

3. U. ECCI JECC 2016

Para el desarrollo de la máquina de estados lo
haremos en código VHDL, para FPGA.
VHDL es un lenguaje definido por el IEEE usado
por ingenieros y científicos para describir circuitos
digitales o modelar fenómenos científicos
respectivamente (Wikipedia, 2015). [4] Por ello será
mucho más fácil el modelamiento de la máquina de
estados, que cumpla a cabalidad las funciones
propuestas.


Imagen 5. FPGA

FPGA’s son chips de silicio reprogramables. Al
utilizar bloques de lógica pre-construidos y recursos
para ruteo programables, usted puede configurar
estos chips para implementar funcionalidades
personalizadas en hardware sin tener que utilizar
una tablilla de prototipos o un cautín. Sólo deberá
desarrollar tareas de cómputo digital en software y
compilarlas en un archivo de configuración o
bitstream que contenga información de cómo deben
conectarse los componentes. (National Instruments ,
2011). [3]
Una máquina de estados es un modelamiento
comportamental de un sistema con entradas y
salidas, en donde las salidas dependen no sólo de
las señales de entradas actuales sino también de las
anteriores.
El código para la máquina de estados está
desarrollado en un esquemático (imagen 6), ya que
es una de las formas más sencillas y versátiles de
manejar en la programación en VHDL.


Imagen 6. Esquemático Semáforo

En el esquemático se puede observar un bloque q
tiene el nombre de SEMAFORO, este es la máquina
de estados.


Imagen 7. Máquina De Estados

La máquina de estados, como es un circuito
secuencial, va a estar controlado por un reloj o
clock, que para este caso es un reloj de 50 Hz.
Además los estados de nuestra maquina van hacer 4:

 ROJO – VERDE
 ROJO – AMARILLO
 VERDE – ROJO
 AMARILLO – ROJO

Cada estado va a tener un tiempo determinado, para
seguir al siguiente, lo cual permitirá ver la
secuencialidad entre cada color. Los tiempos están
establecidos de la siguiente forma:

4. U. ECCI JECC 2016

 R-V  30 Segundos
 R-A  5 Segundos
 V-R  5 Segundos
 A-R  60 Segundos


C. SENSOR
Definimos que un sensor es un dispositivo capaz de
detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas
variables de instrumentación, y transformarlas en
variables eléctricas. Las variables de
instrumentación pueden ser por ejemplo:
temperatura, intensidad lumínica, distancia,
aceleración, inclinación, desplazamiento, presión,
fuerza, torsión, humedad. El sensor utilizado es un
Foto-transistor, que usa como variable la intensidad
lumínica.


Imagen 8. Foto-Transistor

El fototransistor no es muy diferente a un transistor
normal, es decir, está compuesto por el mismo
material semiconductor, tienen dos junturas y las
mismas tres conexiones externas: colector, base y
emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a
la luz, la primera diferencia evidente es en su
cápsula, que posee una ventana o es totalmente
transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las
junturas de la pastilla semiconductora y produzca el
efecto fotoeléctrico (ECURED, 2016). [5]
Se tiene ubicado en cada extremo de las calles los
sensores que va hacer una condición de cambio de
estado. El sensor estará encargado de hacer que
cambie el semáforo dándole prioridad el carril que
tenga mayor flujo vehicular.

III. FUNCIONAMIENTO
El semáforo inteligente es la combinación de los
tres componentes anteriormente mencionados
(Semáforo, Controlador y Sensor), el controlador
tendrá programada la máquina de estados de tal
manera que activara o no un cambio de acuerdo a la
señal que reciba de parte del sensor. Los sensores
detectaran la presencia de carros que estén
esperando, enviando así una señal a la máquina de
estados para que cambie la luz de roja a verde,
dándole prioridad al sensor que envía la señal.
Igualmente los sensores estarán conectados al
mismo controlador entre sí, para que sepan que
semáforo tiene prioridad.
La máquina de estados y los sensores estarán en la
mayor sincronía posible, para que no se generen
trancones ni perdidas de tiempos innecesarias.
El controlador es totalmente autónomo, ya que el
tomara las decisiones por sí solo, de acuerdo a las
señales que reciba de parte de los sensores que
están ubicados en los extremos de las calles, el
sensor manda la señal al controlador y esté por
medio de la máquina de estados tomara la decisión
de manera rápida y acertada.


Imagen 9. Semáforo en Funcionamiento

El proyecto maneja gran nivel de programación e
interpretación de información y todo se hará de
forma correcta si los sensores están bien
sincronizados con la máquina de estados, que hará
que un procesamiento de la información
rápidamente.

5. U. ECCI JECC 2016


Imagen 10. Prototipo Semáforo.

IV. CONCLUSIONES
 Para poder conectar los sensores a la FPGA
fue necesario implementar un regulador de
voltaje, ya que la señal que enviaban los
sensores era de 12 v, y la señal máxima q
puede recibir la FPGA es de 3.3 v.
 El uso de acrílico como alternativa para los
semáforos convencionales disminuiría la
contaminación visual y aumentaría el estatus
de la ciudad, haciéndola ver un poco más
“futurista”
 De poder llevar este proyecto a gran escala,
mejoraría la calidad de vida de las personas,
evitando el estrés por el tráfico.

V. REFERENCIAS
[1] NULLVALUE, “El Semáforo Y Sus Funciones”, 1996-06-05,
Disponible: http://www.eltiempo.com/archivo/documento/MAM-
438910

[2] WIKIPEDIA, “Semáforo”, 2016 -05-15, Disponible:
https://es.wikipedia.org/wiki/Sem%C3%A1foro

[3] NATIONAL INSTRUMENTS, “Introducción a la Tecnología
FPGA: Los Cinco Beneficios Principales”, 2011-12-21, Disponible:
http://www.ni.com/white-paper/6984/es

[4] WIKIPEDIA, “VHDL”, 2015 -24-11, Disponible:
https://es.wikipedia.org/wiki/VHDL

[5] ECURED, “Fototransistor”, 2016-05-28, Disponible:
http://www.ecured.cu/Fototransistor







VI. AUTORES
JOSÉ D. MORENO S. NACIDO
EN BOGOTÁ, COLOMBIA EL
15 DE JUNIO DE 1994. SE
ENCUENTRA CURSANDO 8
SEMESTRE DE INGENIER ÍA
ELECTRÓNICA. A NIVEL
PROFESIONAL EN LA
UNIVERSIDAD ECCI. TIENE UN
TÍTULO DE TECNÓLOGO EN
SOPORTE DE
TELECOMUNICACIONES Y SE HA DESEMP EÑADO
LABORALMENTE EN EL Á REA DE SOPORTE TÉCNICO.



JULIAN D. CONDE
NACIDO EN BOGOTA,
COLOMBIA EL 1 DE MARZO
DE 1992. SE ENCUENTRA
CURSANDO 8 SEMESTRE DE
INGENIERIA ELECTRONICA
EN LA UNIVERSIDAD ECCI.
TIENE UN TITULO EN
SOPORTE DE
TELECOMUNICACIONES Y
SE HA DESEMPEÑADO
LABORALMENTE EN
INVESTIGACION Y
DESARROLLO.



CARLOS A. CORTES A.
Nacido en Bogotá,
Colombia el 15 de junio de
1984. Se encuentra
cursando 8 semestre de
ingeniería electrónica. a
nivel profesional en la
universidad ecci. Tiene un
título de tecnólogo en
soporte de
telecomunicaciones y se ha
desempeñado como jefe de laboratorio de sistemas
aceptadores.