GARA NAZIONALE DI ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI. PROVA SCRITTA. 7 maggio 2013

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1 Istituto Statale di Istruzione Secondaria Superiore ETTORE MAJORANA SERIATE (BG) Via Partigiani 1 -Tel Fax majorana@ettoremajorana.gov.it - sito internet: Cod.Mecc.BGIS01700A Cod.Fisc Md C 01 Comunicazioni edizione 1/12 revisione 20/06/12 GARA NAZIONALE DI ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI PROVA SCRITTA. 7 maggio 2013 Si vuole controllare l afflusso di visitatori all interno di un museo e la presenza del personale di sorveglianza tenendo conto delle seguenti specifiche. o Il flusso dei visitatori prevede un ingresso ed una uscita separati. o Per l entrata è utilizzato un tornello e per l uscita 2 tornelli; ogni tornello produce la chiusura di un contatto elettrico quando passa una persona. o L entrata e l uscita del personale di sorveglianza avviene attraverso una porta di servizio. o In corrispondenza di tale porta è presente un apposito lettore di codici a barre che serve a rilevare l ingresso e l uscita di ogni sorvegliante. Questa apparecchiatura è provvista di due fessure: una accessibile dall esterno e l altra dall interno. o Ogni sorvegliante, per poter entrare, deve farsi identificare mediante una tessera che inserisce nella fessura sul lato esterno e ritira dal lato interno. La presenza in servizio di ogni sorvegliante è evidenziata mediante l accensione di una spia luminosa (LED verde ) abbinata al suo nome. o Detta spia si spegne quando il sorvegliante esce inserendo la propria scheda nella fessura interna e ritirandola da quella esterna. o Sulla scheda di identificazione sono riportate due bande formate da barre trasparenti e barre opache. Su una banda (ck) le barre trasparenti ed opache si alternano con regolarità. Sull altra banda (code) le barre opache e trasparenti si alternano in modo formare un codice binario associato al possessore della scheda. (vedi figura). o Nel lettore di schede sono posizionati due foto-accoppiatori a forcella: uno destinato alla lettura del clock (ck) e l altro alla lettura del codice. Ogni foto-accoppiatore fornisce due livelli di tensione: Low in corrispondenza di una barra trasparente, High in caso di barra opaca. o I codici binari associati ai tre sorveglianti sono: Sorvegliante Codice binario A B C Gara nazionale di Elettronica 2013: prova scritta pg 1 di 3

2 Il candidato, dopo aver formulato eventuali ipotesi aggiuntive svolga, quanto richiesto nella parte A e nella parte B descritte di seguito. Parte A : progettare un circuito che consenta di: sapere il numero di visitatori presenti nel museo (la visualizzazione del numero di visitatori presenti è affidata ad uno strumento virtuale in grado di leggere gli 8 bit di un contatore BCD a due cifre); sapere il nome dei sorveglianti in servizio; mettere in funzione un allarme se, quando esce l ultimo sorvegliante, non sono usciti tutti i visitatori (simulare l allarme con un LED giallo che lampeggia alla frequenza di 20Hz). Parte B : progettare un circuito che : blocchi il tornello di ingresso per i visitatori quando all interno del museo ve ne siano più di 90, oppure non ci siano sorveglianti in servizio (simulare il blocco del tornello con l accensione di un LED rosso); quando un sorvegliante inserisce la propria scheda nel lettore ottico per entrare o uscire venga prodotto un impulso che, agendo sulla elettroserratura, produca l apertura della porta; quest ultima si chiude automaticamente grazie ad un chiudiporta meccanico. (Simulare l impulso di apertura con l accensione di un LED verde per un tempo di circa 200ms ) Prescrizioni Il progetto deve comprendere le seguenti parti: 1. schema a blocchi generale e sua descrizione; 2. schema elettrico della parte A completo con l indicazione chiara di tutti i collegamenti, la piedinatura di ogni integrato la denominazione di tutti i componenti utilizzati; 3. schema elettrico relativo alla parte B con l indicazione dei collegamenti al circuito della parte A. 4. calcoli relativi a tutte le parti circuitali progettate; con chiaro riferimento agli schemi elettrici; 5. descrizione chiara e sintetica di ogni schema elettrico. I due schemi elettrici devono essere disegnati su fogli separati e contenenti solo i disegni. Per la parte A si possono utilizzare solo integrati compresi fra quelli messi a disposizione dalla commissione ed indicati nell elenco allegato. Usare solo fogli forniti dalla commissione, quelli usati per la bella copia vanno numerati secondo l ordine di svolgimento del lavoro. Su tutti i fogli deve essere indicato il Cognome del concorrente e la scuola di provenienza. Non è consentito l uso di manuali tecnici, avvalersi dei datasheets allegati. Compilare l elenco del materiale richiesto per la parte A utilizzando il modello allegato, per ogni componente va indicato il riferimento allo schema elettrico. Tempo a disposizione per lo svolgimento della prova: 5 ore Si può andare al bagno solo dopo 2 ore (salvo necessità documentate) Si può consegnare solo dopo 4 ore La colazione darà distribuita dopo la 3^ora Gara nazionale di Elettronica 2013: prova scritta pg 2 di 3

3 GARA NAZIONALE DI ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI Seriate (BG) 2013 Concorrente scuola di provenienza Elenco dei componenti a disposizione: indicare la quantità richiesta Descrizione Integrati 1 Presettable 4-Bit Decimal Up/Down Counter 74HC Bit SIPO Shift Register 74HC to-8 line decoder/demultiplexer 74HC138 4 Quad 3-State R/S Latch CD4043BC 5 Quad S R Latch 74HC279 6 Dual 4-Input OR gate 74HC Triple 3-Input OR gate 74HC Triple 3-Input AND gate 74HC11 9 Quad 2-Input OR gate 74HC32 10 Quad 2-Input AND gate 74HC08 11 Quad 2-Input NOR gate 74HC02 12 Quad 2-Input NAND gate 74HC00 13 Hex inverter 74HC04 14 Hex Inverting Schmitt trigger 74HC14 Componenti discreti 15 Transistor NPN BC Diodi 1N Diodo LED Giallo Ǿ5 18 Diodo LED Rosso Ǿ5 19 Diodo LED Verde Ǿ5 20 Micropulsante N.A. per circuito stampato 21 Condensatore ceramico 120nF 22 Condensatore elettrolitico 23 Resistore 10k 5% 24 Resistore 2,2k 5% 25 Resistore 1k 5% 26 Resistore % 27 Resistore 5% Altri componenti discreti Riferimento allo schema Quantità Gara nazionale di Elettronica 2013: prova scritta pg 3 di 3

4 Istituto Statale di Istruzione Secondaria Superiore ETTORE MAJORANA SERIATE (BG) Via Partigiani 1 -Tel Fax majorana@ettoremajorana.gov.it - sito internet: Cod.Mecc.BGIS01700A Cod.Fisc Md C 01 Comunicazioni edizione 1/12 revisione 20/06/12 GARA NAZIONALE DI ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI PROVA PRATICA. 8 maggio 2013 Con riferimento al progetto sviluppato nella prova scritta del 7 maggio, realizzare su breadboard il circuito riguardante la parte A. Il montaggio dovrà essere facilmente riconducibile allo schema elettrico di riferimento, i vari componenti vanno disposti in modo razionale ottimizzando le distanze dei collegamenti. Sfruttare adeguatamente la colorazione dei fili per facilitare l associazione fra schema e circuito. Le due breadboard a disposizione ed il lettore ottico vanno organizzati come da figura 1 Figura 1 Eventuali modifiche allo schema prodotto nella prova scritta devono essere di piccola entità. Qualunque modifica deve essere adeguatamente giustificata. Materiale a disposizione: Fotocopia del testo della prova scritta. Fotocopia dello schema elettrico prodotto dallo studente durante la prova scritta. Componenti forniti dalla commissione; è possibile richiedere altri componenti discreti (resistenze, condensatori) aggiungendoli all elenco. Datasheet degli integrati utilizzabili. Un alimentatore. Una postazione PC con strumentazione di misura virtuale ottenuta mediante: o Apparecchiatura per acquisizione dati MyDAQ della National Instruments. o Software NI ELVISmx. Gara nazionale di Elettronica 2013: prova pratica pg 1 di 1

5 Soluzione Istituto Statale di Istruzione Secondaria Superiore ETTORE MAJORANA SERIATE (BG) Via Partigiani 1 -Tel Fax majorana@ettoremajorana.gov.it - sito internet: Cod.Mecc.BGIS01700A Cod.Fisc Md C 01 Comunicazioni edizione 1/12 revisione 20/06/12 GARA NAZIONALE DI ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI PROVA SCRITTA. 7 maggio Schema a blocchi Gara nazionale di Elettronica 2013: soluzione (prof. Giorgio Portaluri - Lorenzo Chiesa - Luca Ravasio) pag 1 di 5

6 Descrizione dello schema a blocchi Il lettore ottico fornisce due segnali: CODE e CK. Il CODE viene letto da un registro SIPO (Serial Input Parallel Output) e la sincronizzazione di lettura è gestita dal segnale di CK. Esaminando i codici assegnati ai tre sorveglianti si nota che il primo ed il quinto bit sono uguali per tutti i sorveglianti, in particolare: il primo e sempre un UNO ed il quinto è sempre uno ZERO. Invertendo l ordina di lettura (OUT) il primo è ZERO ed il quinto è un UNO. Pertanto questi due bit possono essere utilizzati per determinare se il sorvegliante entra oppure esce. La parte di codice che distingue i tre sorveglianti è formata da tre bit intermedi, essi hanno la particolarità di essere simmetrici rispetto al centro e quindi formano lo stesso numero sia se letti in un verso sia se letti nel verso contrario. Questa parte di codice viene decodificata mediante un demultiplexer. Il sorvegliante A con il codice 111 attiva l uscita Q 7, il B con codice 101 attiva l uscita Q 5 ed il C con codice 010 attiva l uscita Q 2. Il contatore modulo 5 determina il momento in cui è stato letto il quinto bit del codice e segnala tale situazione con il fronte di discesa sulla sua uscita Q 2. Questo segnale viene convertito in impulso basso e con un certo ritardo viene invertito e inviato al circuito di sincronismo. Quando il circuito di sincronismo riceve l impulso positivo (quindi dopo il quinto impulso di clock) va a vedere quale sorvegliante è stato rilevato e se è entrato o uscito intervenendo sul relativo latch SR per memorizzare l evento mediante l accensione o lo spegnimento del LED corrispondente al sorvegliante rilevato. Il conteggio del numero di visitatori presenti viene effettuato con un contatore Up/Down BCD a due cifre (quattro bit per cifra = 8 bit). Il segnale di conteggio Up proviene dal tornello di ingresso, mentre il segnale di conteggio Down proviene da uno dei due tornelli di uscita. Il valore degli otto bit del contatore è inviato al visualizzatore per la visualizzazione del numero di visitatori presenti. L allarme entra in funzione se è presente almeno un visitatore (OR fra tutti i bit del contatore) e (AND) non è presente alcun sorvegliante (OR negato fra i sorveglianti). Il blocco del tornello d ingresso si verifica se il numero di visitatori supera 90 (n = 90) oppure (OR) non è presente alcun sorvegliante. L apertura della elettroserratura avviene quando uno dei sorveglianti varia il suo stato da presente diventa assente e viceversa. Gara nazionale di Elettronica 2013: soluzione (prof. Giorgio Portaluri - Lorenzo Chiesa - Luca Ravasio) pag 2 di 5

7 Schema elettrico parte A Gestione sorveglianti Code Clok U1 74LS164 Dsa Q7 Dsb Q6 Q5 CP Q4 MR Q2 U6 74LS192 CPU CPD PL MR D3 D1 D0 TCU TCD Q2 U13C U2A C1 U14A R4 10K R5 D1 10K 1N4148 U7A U13D C2 U3 74LS138 74LS138 A2 A1 A0 E3 E2 E1 1N4148 U7B Q7 Q6 Q5 Q4 Q2 U5E U5C U5D U11A U8C U8A U8B U11C U11B U10 S Q _ R Q S R U9 Q _ Q AN U12 S Q _ R Q BN CN R2 A R1 B R3 C Sorv A Sorv B Sorv C Il segnale CODE proveniente dal lettore è applicato all ingresso seriale di un registro a scorrimento 74xx164. Lo scorrimento è sincronizzato dal segnale di CLOCK proveniente dallo stesso lettore. Dopo cinque colpi di CLOCK il codice è stato letto completamente ed è disponibile sulle uscite da a Q4. I bit, Q2 e sono utilizzati per individuare il nome del sorvegliante e sono inviati ad un decoder 74xx138. Le uscite attivabili dai tre codici sono Q2 (010); Q5 (101) e Q7 (111). L integrato 74xx138 fornisce uscite attive a livello basso che sono invertite per ottenere un livello alto. Per individuare l entrata del sorvegliante si usa l uscita di U14A che è alta se Q4 = 1 e = 0. Questo livello alto viene utilizzato per abilitare l ingresso SET dei Latch destinati alla memorizzazione dell avvenuta entrata (accensione LED Sorv). Quando invece questo livello è basso viene abilitato il RESET degli stessi Latch e quindi il conseguente spegnimento del LED. L integrato U6 (74xx192) è organizzato come contatore modulo 5 e serve a contare i cinque colpi di CLOCK generati dalla lettura del codice. Dopo cinque impulsi il contatore genera un fronte di discesa su Q2 che, convertito in impulso, abilità il circuito di sincronismo formato da U11A, U8C, U8A, U8B, U11C, U11B. Questo circuito agisce sui latch SR per accendere il LED corrispondente al sorvegliante che entra o a spegnere quello corrispondente al sorvegliante che esce. I terminali A, B, C ed i loro negati AN, BN, CN servono per altri blocchi circuitali. Gara nazionale di Elettronica 2013: soluzione (prof. Giorgio Portaluri - Lorenzo Chiesa - Luca Ravasio) pag 3 di 5

8 Gestione visitatori tornin R1 10k U9A C2 R2 10k U9B U2 74LS192 CPU CPD PL MR D3 D1 D0 TCU TCD Q2 U1 74LS192 CPU CPD PL MR D3 D1 D0 TCU TCD Q2 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 tornout tornout C3 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 U3A U3B U4A U7A U8A U8B R5 A U6A R4 680k B C C1 Allarme NoSorv Il conteggio dei visitatori presenti è affidato a due contatori BCD 74xx192 in cascata, che contano avanti (Up) ed indietro Down. Il tornello d ingresso chiude il contatto torn IN e produce un segnale che, applicato a CPU, incrementa il conteggio. Il circuito formato da R 1, C 2 e la porta NOT triggerata funzionano da antirimbalzo. Ogni tornello di uscita torn OUT produce un segnale che, arrivando a CPD, decrementa il contatore. I pulsanti sono provvisti di circuito antirimbalzo. Il segnale di decremento può provenire da un tornello oppure dall altro. I LED da L1 ad L8 simulano il visualizzatore. L uscita della porta U7A va alta se: almeno un bit del contatore è alto (almeno un visitatore è presente) e (AND) nessun sorvegliante è presente (OR negata). L uscita di U7A abilita il funzionamento dell oscillatore formato da U8A, R4, C1. Il lampeggio del LED rappresenta l'allarme. Gara nazionale di Elettronica 2013: soluzione (prof. Giorgio Portaluri - Lorenzo Chiesa - Luca Ravasio) pag 4 di 5

9 Schema elettrico Parte B NoSorv C7 U3A U4A R1 C4 BlocTornIN A C1 D3 R3 B C2 U5A Elettro D4 R4 C C3 U4B R2 4,7k T1 D5 R5 AN C4 D6 R6 BN C5 U5B CN D7 C6 R7 D8 R8 Nella parte in alto vengono testati i valori dei bit C7 e C4 che assumono il valore alto con il numero 90 (testando anche il bit C0 si può riconoscere il valore 91, ossia maggiore di 90), quindi il LED (blocco tornello) si accende quando numero di visitatori è 90 oppure se non ci sono sorveglianti ( NoSorv ). Quest ultimo segnale proviene dal circuito rappresentato nello schema precedente. Nella parte in basso il filtro passa alto C1, R3 produce un impulso positivo ogni volta che sul terminale A si ha un fronte di salita. Tale impulso ha durata di circa t i = R3 C1 = 220 ms e si propaga fino al transistor T1 che apre l elettroserratura. Analogo risultato si ha quando il fronte di salita proviene dai terminali A, B, ecc. fino a CN. Gara nazionale di Elettronica 2013: soluzione (prof. Giorgio Portaluri - Lorenzo Chiesa - Luca Ravasio) pag 5 di 5