Montar o Circuito do Problema

MÁQUINAS DE ESTADOs FINITOS ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO SISTEMAS DIGITAIS Prof Leandro Honorato Problema final da Disciplina No contexto da disciplina de Sistemas Digitais do curso de Engenharia de Controle e Automação haverá uma atividade final de aprendizagem baseada em problemas A atividade deverá contemplar o assunto de máquinas de estados finitos O problema deve ser relativamente simples no máximo três estados Problema 1 Semáforo de pedestres Você foi contratado para desenvolver o sistema digital de controle de um semáforo de pedestres O semáforo é composto por dois LEDs um vermelho que indica que o pedestre deve esperar e um verde que indica que o pedestre pode atravessar O sistema deve funcionar conforme a seguinte lógica Inicialmente o LED vermelho está aceso indicando que o pedestre deve aguardar Quando o pedestre pressiona um botão o sistema deve aguardar 5 segundos antes de permitir a travessia Após os 5 segundos o LED verde deve acender e permanecer aceso por 10 segundos Em seguida o LED verde deve piscar ligando e desligando alternadamente por 5 segundos como forma de alerta Após esse período o sistema deve retornar ao estado inicial com o LED vermelho aceso O sistema deve ignorar novos pressionamentos de botão enquanto o ciclo completo não for finalizado Implemente uma máquina de estados finitos que atenda a esse comportamento utilizando no máximo três estados Problema 2 Controlador Digital de Irrigação Automatizada Você deve projetar um sistema digital para controlar a irrigação de uma plantação com base na umidade do solo O sistema é composto por Um sensor digitalizado de umidade do solo que indica se o solo está seco 1 ou úmido 0 Uma bomba de irrigação acionada por uma saída digital ON ou OFF O funcionamento do sistema deve seguir as seguintes regras Se o solo estiver úmido a bomba não deve ligar Se o solo estiver seco a bomba deve ser acionada e permanecer ligada por 15 segundos independentemente das mudanças na leitura do sensor durante esse período Após os 15 segundos de funcionamento a bomba deve ser desligada e o sistema deve aguardar pelo menos 30 segundos antes de realizar uma nova leitura do sensor e eventualmente reiniciar o ciclo Projete uma máquina de estados finitos que implemente esse comportamento utilizando no máximo três estados Problema 3 Sistema de alarme Você foi contratado para desenvolver um sistema digital simples de alarme para um ambiente monitorado O sistema possui Um sensor digital de presença cuja saída é 1 quando detecta movimento e 0 caso contrário Um buzzer dispositivo sonoro controlado por uma saída digital ON ou OFF Um botão de ativaçãodesativação do alarme O funcionamento do sistema deve obedecer às seguintes regras Ao ser ligado o sistema deve iniciar em modo desativado alarme desligado Ao pressionar o botão o sistema ativa o alarme Quando o alarme está ativado e o sensor de presença detecta movimento o buzzer deve disparar por 10 segundos mesmo que o sensor pare de detectar movimento durante esse tempo Após o disparo o sistema deve permanecer ativado pronto para detectar novas presenças Um novo pressionamento do botão desativa o alarme cancelando qualquer detecção futura até que seja reativado Implemente uma máquina de estados finitos que atenda a esse comportamento utilizando no máximo três estados Problema 4 Detector de Sequência para Controle de Esteira Um sistema de transporte em uma linha de montagem é composto por uma esteira motorizada e dois sensores digitais Um sensor capacitivo que detecta qualquer tipo de material saída 1 quando há presença de objeto Um sensor indutivo que detecta apenas materiais metálicos saída 1 somente quando o objeto for metálico O objetivo do sistema é verificar a sequência correta de peças garantindo que sempre passe uma peça metálica entre duas peças não metálicas O funcionamento deve seguir as seguintes regras A esteira deve permanecer ligada enquanto a sequência correta estiver sendo respeitada Caso a sequência esperada seja quebrada ex duas peças metálicas seguidas ou uma metálica sem ter uma não metálica antes a esteira deve parar e um alarme sonoro buzzer deve ser acionado O sistema deve estar apto a reiniciar a verificação de uma nova sequência assim que o erro for identificado e o alarme for desligado manualmente simulado por um botão de reset Implemente uma máquina de estados finitos que atenda a esse comportamento utilizando no máximo três estados Problema 5 Sistema de Controle de Iluminação Automática para Corredor Você deve projetar um sistema de iluminação automática para um corredor de acesso que é utilizado com pouca frequência O sistema deve contar com os seguintes elementos Um sensor de presença digital saída 1 quando detecta movimento Um temporizador interno Uma lâmpada saída digital O funcionamento do sistema deve seguir as seguintes regras Quando o sistema detectar movimento no corredor a lâmpada deve ser acesa imediatamente A lâmpada deve permanecer acesa por 20 segundos mesmo que não haja mais detecção de movimento Se um novo movimento for detectado enquanto a lâmpada ainda estiver acesa o temporizador deve reiniciar os 20 segundos Após esse tempo se não houver novos movimentos a lâmpada deve ser apagada Implemente uma máquina de estados finitos que atenda a esse comportamento utilizando no máximo três estados Definição Uma Máquina de Estados Finitos FSM Finite State Machine É uma tupla M I O S f g 𝜎 onde I é um conjunto finito de símbolos de entrada as entradas do sistema O é om conjunto finito de símbolos de saída as saídas do sistema S é um conjunto finito de estados f S x I S é uma função que mapeia como ocorre a transição entre os estados em função do estado atual e das entradas do sistema g S x I O é uma função que mapeia como as saídas se comportam em cada estado 𝜎 S é o estado inicial da máquina de estados finitos Exemplo Máquina de Estados Semáforo Máquina de estados no contexto de sistemas digitais O termo máquina de estados se refere a um circuito que sequencia através de um determinado conjunto de estados Controlado por um clock e outros sinais de entrada O termo contador é um tipo específico de máquina de estados No contador os estados são sequenciais Máquinas de estados são utilizadas para controle de eventos Máquina de Moore As entradas não interferem diretamente na saída somente nos estados futuros As saídas dependem do estado atual Zt fy1t ymt As saídas variam sincronamente Diagrama de estados O Diagrama de Estado ou Diagrama de Fluxo de Estado é um grafo no qual cada nó representa um estado e cada arco representa uma transição de estados fluxo A cada pulso de clock o fluxo avança um estado Diagrama de estados A saída depende exclusivamente do estado A entrada só interfere no próximo estado Exemplo 1 Contador crescente módulo 4 Simples não tem entrada Estado Atual Saída Z1Z0 Próximo Estado A 0 0 B B 0 1 C C 1 0 D D 1 1 A httpswwwyoutubecomwatchvG86AFmpM0B4 Circuitos Lógicos Aula 12 Máquinas de Estado Finito e Síntese de Circuitos Sequenciais Exemplo Um alarme soa quando houver 3 ou mais peças consecutivas na esteira A esteira não é desligada 1 Entrada X X 0 não há peça X 1 há peça 1 Saída Z Z 0 não soa alarme Z 1 soa alarme Entrada X 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 Saída Z Exemplo Entrada X 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 Saída Z Exemplo Entrada X 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 Saída Z 1 1 1 1 Exemplo ExEMPLO Máquina de Moore A entrada X não é ligada na saída Z Detector da Sequência 111 Síncrono os FFs são ligados no mesmo clock Exemplo Diagrama de Estados X 0 X 1 X 0 0 0 0 1 1 1 1 EXEMPLO Tabela de Atribuição de Estados Estado FlipFlop Q1Q0 A 00 B 01 C 10 D 11 EXEMPLO Tabela de Atribuição de Estados Estado FlipFlop Q1Q0 A 0 0 B 0 1 C 1 0 D 1 1 Exemplo TABELA DE TRANSIÇÃO DE ESTADOS Exemplo TABELA DE TRANSIÇÃO DE ESTADOS COM ESTADOS ATRIBUÍDOS Exemplo Escolha dos Flipflops Tabela de transição para cada FlipFlop Exemplo Escolha dos Flipflops Tabela de transição para cada FlipFlop Exemplo Síntese do circuito Entrada X0 Estado Atual Q1Q0 Próximo Estado Y1Y0 FlipFlop 1 FlipFlop 0 J1 K1 J0 K0 0 0 0 0 0 X 0 X 0 0 1 0 0 0 X X 1 0 0 1 0 0 0 X X 1 0 1 1 0 0 X 1 X 1 1 0 0 0 1 X 1 X 1 0 1 0 1 X X 1 1 0 1 1 X 0 1 X 1 1 1 1 X 0 X 0 Exemplo Mapas de Karnough J1 K1 J0 K0 Q1Q0 x0 0 1 Q1Q0 x0 0 1 Q1Q0 x0 0 1 Q1Q0 x0 0 1 00 0 0 1 1 x x x x 01 0 1 1 1 1 1 11 x x 1 0 1 0 x x 10 x x 1 0 1 0 J1 X0Q0 K1 X0 J0 X0 K0 X0 Q1 Exemplo Tabela de saída Estado Presente Saída Z0 A 0 B 0 C 0 D 1 Exemplo Expressão de Saída Estado Presente Saída Z0 A 0 B 0 C 0 D 1 Estado FlipFlop Q1Q0 A 00 B 01 C 10 D 11 Z0 Q0Q1 Exemplo Implementação Detector da sequência 111 Síncrono os FFs são ligados no mesmo clock A entrada X não interfere na saída z