Caso práctico: Control de acceso vehicular con barrera

Prototipo de Control de acceso vehicular con barrera (Maker Style)

Nivel: Medio — Diseñar un circuito lógico de seguridad que levante una barrera solo cuando ocurran simultáneamente la presencia del vehículo y la verificación de un ticket válido.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de control digital utilizando una compuerta AND 74HC08 para simular la lógica de una barrera de estacionamiento automatizada. La barrera (representada por un LED) solo se activará cuando un sensor de presencia vehicular y un sistema de validación de tickets se activen simultáneamente.

Por qué es útil:
* Estacionamientos: Asegura que la barrera no se abra para peatones o si un ticket es inválido.
* Casetas de peaje: Sincroniza la confirmación del pago con la presencia física del vehículo.
* Seguridad industrial: Evita la operación de maquinaria a menos que haya una protección colocada y se emita una orden de arranque.
* Acceso seguro: Requiere factores de doble autenticación en sistemas de seguridad física.

Resultado esperado:
* Estado 0 (Reposo): El LED permanece APAGADO cuando no se presionan botones (salida de 0 V).
* Estado 1 (Parcial): El LED permanece APAGADO si solo se detecta el vehículo o solo se valida el ticket.
* Estado 2 (Activo): El LED se ENCIENDE (aprox. 5 V / Lógica alta) SOLO cuando ambas entradas están activas simultáneamente.
* Verificación lógica: Confirmación de la operación booleana AND estándar ($Y = A \cdot B$).

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados / Medio.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación principal del circuito
  • U1: 74HC08, función: CI de cuádruple compuerta AND de 2 entradas
  • S1: Pulsador (NA), función: Simula «Sensor de presencia vehicular»
  • S2: Pulsador (NA), función: Simula «Señal de validación de ticket»
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para entrada de vehículo
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para entrada de ticket
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED
  • D1: LED verde, función: Simula «Motor de barrera/Señal de apertura»
  • Protoboard y cables puente

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC08 (Cuádruple compuerta AND de 2 entradas)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A Conectado al Sensor de Vehículo (S1)
2 1B Entrada B Conectado al Validador de Tickets (S2)
3 1Y Salida Conectado al Indicador de Barrera (LED)
7 GND Tierra Conectado a Tierra de la fuente (0 V)
14 VCC Alimentación Conectado a alimentación de +5 V

Nota: Los pines 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 y 13 no se utilizan en este circuito específico.

Guía de conexionado

  • Fuente de alimentación:
    • V1 (+) se conecta al nodo VCC.
    • V1 (-) se conecta al nodo 0 (GND).
  • Alimentación del CI:
    • U1 Pin 14 se conecta al nodo VCC.
    • U1 Pin 7 se conecta al nodo 0.
  • Etapa de entrada (Sensor de vehículo):
    • S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo VEHICLE_IN.
    • R1 se conecta entre el nodo VEHICLE_IN y el nodo 0 (configuración activa en alto).
    • U1 Pin 1 se conecta al nodo VEHICLE_IN.
  • Etapa de entrada (Validador de ticket):
    • S2 se conecta entre el nodo VCC y el nodo TICKET_IN.
    • R2 se conecta entre el nodo TICKET_IN y el nodo 0 (configuración activa en alto).
    • U1 Pin 2 se conecta al nodo TICKET_IN.
  • Etapa de salida (Actuador de barrera):
    • U1 Pin 3 se conecta al nodo LOGIC_OUT.
    • R3 se conecta entre el nodo LOGIC_OUT y el nodo LED_ANODE.
    • D1 (Ánodo) se conecta al nodo LED_ANODE.
    • D1 (Cátodo) se conecta al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 AND gate

Esquemático

[ INPUT SENSORS ]                     [ LOGIC PROCESSING ]                  [ ACTUATOR OUTPUT ]

 [ VCC ]
    |
 [ S1: Vehicle ]
    |
           +----(Node: VEHICLE_IN)----(Pin 1)-->+----------------------+
    |                                    |                      |
 [ R1: 10k ]                             |      U1: 74HC08      |
    |                                    |      (AND Gate)      |
 [ GND ]                                 |                      |--(Pin 3)--> [ R3: 330 ] --> [ D1: Green LED ] --> [ GND ]
                                         |  (Pin 14: VCC)       |
 [ VCC ]                                 |  (Pin 7:  GND)       |
    |                                    |                      |
 [ S2: Ticket ]                          |                      |
    |                                    |                      |
+----(Node: TICKET_IN)-----(Pin 2)-->+----------------------+
    |
 [ R2: 10k ]
    |
 [ GND ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC08 sigue la verificación lógica AND estándar:

Vehículo detectado (S1) Ticket validado (S2) Voltaje de salida (Pin 3) Estado de la barrera (LED)
Bajo (0) Bajo (0) ~0 V Cerrada (APAGADO)
Bajo (0) Alto (1) ~0 V Cerrada (APAGADO)
Alto (1) Bajo (0) ~0 V Cerrada (APAGADO)
Alto (1) Alto (1) ~5 V Abierta (ENCENDIDO)

Mediciones y pruebas

  1. Verificación en reposo: Asegúrate de que ni S1 ni S2 estén presionados. Mide el voltaje en el Pin 1 y el Pin 2 de U1 con respecto a GND. Debería leerse 0 V (Lógica baja). El LED debe estar APAGADO.
  2. Prueba de entrada única: Presiona solo S1 (Vehículo). Mide el voltaje en el Pin 1 (5 V) y el Pin 3 (0 V). El LED debe permanecer APAGADO. Repite para S2 (Ticket).
  3. Prueba de activación: Presiona S1 y S2 simultáneamente. Mide el voltaje en el Pin 3 de U1. Debería leerse cerca de 5 V (Lógica alta).
  4. Verificación de carga: Observa que el LED se ENCIENDE brillantemente cuando se mantienen presionados ambos botones. Esto confirma que la barrera se levantaría.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* TITLE: Practical case: Vehicle access control with barrier
* Ngspice Netlist
* Implements a 74HC08 AND gate circuit with push-button inputs and LED output

* --- Component Models ---
* Switch Model: Voltage Controlled Switch for Push-buttons
* Vt=2.5V (Threshold), Ron=1 ohm (Closed), Roff=100Meg (Open)
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* LED Model: Generic Green LED
.model D_GREEN D(Is=1e-22 Rs=5 N=1.5 Cjo=10p BV=5)

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Main Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Dynamic Stimuli (User Button Presses) ---
* These sources actuate the switches S1 and S2 to simulate user interaction.
* They are not part of the physical circuit but provide the mechanical "push".
* Sequence designed to test Truth Table: 00 -> 10 -> 01 -> 11
* Time unit: microseconds (us)

* S1 Actuator (Vehicle Sensor): Toggles every 200us (starts at 100us)
V_ACT_S1 S1_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 100u 200u)

* S2 Actuator (Ticket Validator): Toggles every 400us (starts at 200us)
V_ACT_S2 S2_CTRL 0 PULSE(0 5 200u 1u 1u 200u 400u)

* --- Input Stage: Vehicle Sensor ---
* S1: Push-button connecting VCC to VEHICLE_IN when pressed
* ... (truncated in public view) ...

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* TITLE: Practical case: Vehicle access control with barrier
* Ngspice Netlist
* Implements a 74HC08 AND gate circuit with push-button inputs and LED output

* --- Component Models ---
* Switch Model: Voltage Controlled Switch for Push-buttons
* Vt=2.5V (Threshold), Ron=1 ohm (Closed), Roff=100Meg (Open)
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* LED Model: Generic Green LED
.model D_GREEN D(Is=1e-22 Rs=5 N=1.5 Cjo=10p BV=5)

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Main Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Dynamic Stimuli (User Button Presses) ---
* These sources actuate the switches S1 and S2 to simulate user interaction.
* They are not part of the physical circuit but provide the mechanical "push".
* Sequence designed to test Truth Table: 00 -> 10 -> 01 -> 11
* Time unit: microseconds (us)

* S1 Actuator (Vehicle Sensor): Toggles every 200us (starts at 100us)
V_ACT_S1 S1_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 100u 200u)

* S2 Actuator (Ticket Validator): Toggles every 400us (starts at 200us)
V_ACT_S2 S2_CTRL 0 PULSE(0 5 200u 1u 1u 200u 400u)

* --- Input Stage: Vehicle Sensor ---
* S1: Push-button connecting VCC to VEHICLE_IN when pressed
S1 VCC VEHICLE_IN S1_CTRL 0 SW_PUSH
* R1: 10k Pull-down resistor for Vehicle input
R1 VEHICLE_IN 0 10k

* --- Input Stage: Ticket Validator ---
* S2: Push-button connecting VCC to TICKET_IN when pressed
S2 VCC TICKET_IN S2_CTRL 0 SW_PUSH
* R2: 10k Pull-down resistor for Ticket input
R2 TICKET_IN 0 10k

* --- Logic Stage: U1 (74HC08 Quad 2-Input AND Gate) ---
* Subcircuit representing one gate of the 74HC08 IC
* Pins mapped: 1(A), 2(B), 3(Y), 7(GND), 14(VCC)
.subckt 74HC08_GATE PIN1 PIN2 PIN3 PIN7 PIN14
    * Behavioral AND logic using continuous sigmoid functions for convergence
    * Y = VCC if (A > 2.5V) AND (B > 2.5V)
    B_LOGIC PIN3 PIN7 V = V(PIN14) * (1 / (1 + exp(-50*(V(PIN1)-2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50*(V(PIN2)-2.5))))
.ends

* Instantiate U1 connected according to Wiring Guide
* Pin 1->VEHICLE_IN, Pin 2->TICKET_IN, Pin 3->LOGIC_OUT, Pin 7->0, Pin 14->VCC
XU1 VEHICLE_IN TICKET_IN LOGIC_OUT 0 VCC 74HC08_GATE

* --- Output Stage: Barrier Actuator ---
* R3: 330 ohm current limiting resistor
R3 LOGIC_OUT LED_ANODE 330
* D1: Green LED (Anode to R3, Cathode to GND)
D1 LED_ANODE 0 D_GREEN

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis for 500us to capture full sequence
.tran 1u 500u
.op

* Print signals to verify logic: 
* Expect LOGIC_OUT to be High (~5V) only when both Inputs are High (300us-400us)
.print tran V(VEHICLE_IN) V(TICKET_IN) V(LOGIC_OUT) V(LED_ANODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1254 rows) 
Index   time            v(vehicle_in)   v(ticket_in)    v(logic_out)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
7	6.400000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
8	1.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
9	2.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
10	3.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
11	4.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
12	5.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
13	6.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
14	7.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
15	8.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
16	9.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
17	1.028000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
18	1.128000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
19	1.228000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
20	1.328000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
21	1.428000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
22	1.528000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
23	1.628000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
... (1230 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: No incluir las resistencias R1 y R2 hace que las entradas «floten», provocando un parpadeo errático del LED incluso cuando no se presionan los botones. Usa siempre resistencias pull-down con la serie lógica 74HC.
  2. Conexiones de alimentación faltantes: Olvidar conectar el Pin 14 (VCC) y el Pin 7 (GND) es un error clásico. Los chips lógicos no funcionarán sin alimentación, incluso si las entradas están cableadas correctamente.
  3. LED sin resistencia: Conectar el LED directamente a la salida lógica (Pin 3) sin R3 puede dañar el LED o la etapa de salida del 74HC08 debido a una corriente excesiva.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso cuando se sueltan los botones.
    • Causa: Faltan resistencias pull-down o las entradas están conectadas directamente a VCC.
    • Solución: Asegúrate de que R1 y R2 estén instaladas correctamente entre las entradas y GND.
  • Síntoma: El LED no se enciende cuando se presionan ambos botones.
    • Causa: Polaridad del LED invertida o CI sin alimentación.
    • Solución: Verifica la orientación de D1 (el lado plano es el cátodo/GND) y mide 5 V entre los pines 14 y 7.
  • Síntoma: El LED es muy tenue cuando está activo.
    • Causa: El valor de la resistencia limitadora de corriente (R3) es demasiado alto.
    • Solución: Asegúrate de que R3 sea de 330 Ω (naranja-naranja-marrón). Si es de 10 kΩ o superior, el LED será apenas visible.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Parada de emergencia: Introduce una tercera entrada usando una compuerta AND de 3 entradas (74HC11) o conectando en cascada otra compuerta 74HC08, conectada a un interruptor de «Parada» que anule el comando de apertura.
  2. Interfaz de controlador de motor: Reemplaza el LED con un transistor NPN (por ejemplo, 2N2222) y un relé para accionar un motor de CC real o un solenoide, simulando un mecanismo de barrera de alta potencia.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente específico se utiliza para realizar la operación lógica del circuito?




Pregunta 3: ¿Qué representa el LED en la simulación del circuito?




Pregunta 4: Según la lógica booleana del circuito AND descrito, ¿cuál es la ecuación que representa el funcionamiento?




Pregunta 5: ¿Qué sucede en el 'Estado 1 (Parcial)' descrito en el resultado esperado?




Pregunta 6: ¿Qué simula el primer botón o entrada en este contexto de estacionamiento?




Pregunta 7: ¿Qué voltaje aproximado se espera en la salida (LED) cuando ambas condiciones se cumplen (Estado Activo)?




Pregunta 8: ¿Por qué es útil este circuito en seguridad industrial según el texto?




Pregunta 9: ¿Qué ocurre en el 'Estado 0 (Reposo)' según el texto?




Pregunta 10: ¿Qué aplicación adicional se menciona para este tipo de lógica de doble condición?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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