Caso práctico: Sistema de votación electrónica simple

Prototipo de Sistema de votación electrónica simple (Maker Style)

Nivel: Avanzado — Diseñar un circuito para aprobar una moción si al menos uno de tres jueces emite un voto positivo, integrando lógica combinacional y eliminación de rebotes (debouncing).

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito lógico digital que procesa señales de tres interruptores momentáneos independientes que representan a los jueces. El sistema utiliza una topología OR en cascada para activar un indicador visual si cualquier entrada individual (o combinación de entradas) está activa.

Por qué es útil:
* Enclavamientos de seguridad: Se utiliza una lógica similar en protecciones de máquinas donde romper cualquier haz de luz o abrir cualquier puerta debe activar una parada o alarma.
* Detección de fallos: En los tableros de instrumentos de automóviles, múltiples sensores (aceite, presión de neumáticos, calor del motor) alimentan una luz de advertencia central (Check Engine) a través de lógica OR.
* Control de acceso: Sistemas donde múltiples credenciales diferentes (tarjeta, código o biométrico) pueden otorgar entrada a la misma puerta.
* Solicitudes de interrupción: En microcontroladores, múltiples periféricos pueden activar una sola línea de interrupción a la CPU utilizando esta lógica.

Resultado esperado:
* El LED de salida se ENCIENDE (Lógica Alta) si el Juez A, el Juez B, el Juez C, o cualquier combinación presiona su botón.
* El LED de salida permanece APAGADO (Lógica Baja) solo cuando todos los botones están liberados.
* Las señales de entrada son acondicionadas (anti-rebote) para evitar el parpadeo rápido causado por el rebote mecánico del interruptor.
* Verificación de la propagación de la señal a través de puertas lógicas en cascada.

Público objetivo: Estudiantes de ingeniería y entusiastas avanzados de la electrónica.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC
  • S1: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto), función: Entrada Juez A
  • S2: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto), función: Entrada Juez B
  • S3: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto), función: Entrada Juez C
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para el Nodo A
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para el Nodo B
  • R3: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para el Nodo C
  • R4: Resistencia de 1 kΩ, función: resistencia serie para anti-rebote RC (Entrada A)
  • R5: Resistencia de 1 kΩ, función: resistencia serie para anti-rebote RC (Entrada B)
  • R6: Resistencia de 1 kΩ, función: resistencia serie para anti-rebote RC (Entrada C)
  • C1: Condensador de 100 nF, función: filtrado de rebotes (Entrada A)
  • C2: Condensador de 100 nF, función: filtrado de rebotes (Entrada B)
  • C3: Condensador de 100 nF, función: filtrado de rebotes (Entrada C)
  • U1: 74HC32 (CI de 4 puertas OR de 2 entradas)
  • R7: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: indicador de resultado

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC32 (Cuádruple puerta OR de 2 entradas).
Nota: Dado que tenemos 3 entradas y el chip contiene puertas de 2 entradas, conectaremos en cascada dos puertas para crear la función lógica $Y = (A + B) + C$.

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conecta a Señal A con anti-rebote
2 1B Entrada Conecta a Señal B con anti-rebote
3 1Y Salida Conecta al Pin 4 (Cascada a la siguiente puerta)
4 2A Entrada Conecta al Pin 3 (Resultado de A+B)
5 2B Entrada Conecta a Señal C con anti-rebote
6 2Y Salida Conecta al circuito del LED de salida
7 GND Tierra Conecta a 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conecta a VCC (+5V)

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos compatibles con SPICE.
* Fuente de alimentación:
* V1 conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
* U1 pin 14 conecta a VCC.
* U1 pin 7 conecta a 0.

  • Etapa de entrada (Juez A) – Pull-down y Anti-rebote:
  • S1 conecta entre VCC y el nodo RAW_A.
  • R1 conecta entre RAW_A y 0.
  • R4 conecta entre RAW_A y el nodo IN_A.

  • C1 conecta entre IN_A y 0.

  • Etapa de entrada (Juez B) – Pull-down y Anti-rebote:

  • S2 conecta entre VCC y el nodo RAW_B.
  • R2 conecta entre RAW_B y 0.
  • R5 conecta entre RAW_B y el nodo IN_B.

  • C2 conecta entre IN_B y 0.

  • Etapa de entrada (Juez C) – Pull-down y Anti-rebote:

  • S3 conecta entre VCC y el nodo RAW_C.
  • R3 conecta entre RAW_C y 0.
  • R6 conecta entre RAW_C y el nodo IN_C.

  • C3 conecta entre IN_C y 0.

  • Procesamiento lógico (OR en cascada):

  • U1 pin 1 conecta a IN_A.
  • U1 pin 2 conecta a IN_B.
  • U1 pin 3 (Salida Puerta 1) conecta al nodo GATE1_OUT.
  • U1 pin 4 conecta al nodo GATE1_OUT (Señal en cascada).
  • U1 pin 5 conecta a IN_C.

  • U1 pin 6 (Salida Final) conecta al nodo LOGIC_OUT.

  • Etapa de salida:

  • R7 conecta entre LOGIC_OUT y el nodo LED_ANODE.
  • D1 conecta entre LED_ANODE (Ánodo) y 0 (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC32 OR gate

Esquemático

[ INPUT / CONDITIONING ]                  [ LOGIC PROCESSING (74HC32) ]             [ OUTPUT ]

                                                +-------------------------+
    [ S1: Judge A ]                             |        U1: Gate 1       |
    (VCC -> RAW_A) -> [ R1/R4/C1 ] --(Pin 1)--->| Input A                 |
                      (Debounce)                |           OR            |
                                                | Input B       (Output)  |
    [ S2: Judge B ]                    +------->| Pin 2          Pin 3    |--+
    (VCC -> RAW_B) -> [ R2/R5/C2 ] ----+        +-------------------------+  |
                      (Debounce)                                             |
                                                                             |
                                                                             |
                                                +-------------------------+  |
                                                |        U1: Gate 2       |  |
                                                | (Cascade In)   Pin 4    |< +
                                                |           OR            |
    [ S3: Judge C ]                    +------->| Input C        (Output) |
    (VCC -> RAW_C) -> [ R3/R6/C3 ] ----+        | Pin 5          Pin 6    |-----> [ R7: 330 Ohm ]
                      (Debounce)                +-------------------------+           |
                                                                                      v
                                                                                 [ D1: Red LED ]
                                                                                      |
                                                                                      v
                                                                                     GND
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El sistema crea una función OR de 3 entradas: $Q = A + B + C$.

Entrada A Entrada B Entrada C Salida Q (LED) Nota
0 0 0 0 Moción rechazada
0 0 1 1 Moción aprobada
0 1 0 1 Moción aprobada
0 1 1 1 Moción aprobada
1 0 0 1 Moción aprobada
1 0 1 1 Moción aprobada
1 1 0 1 Moción aprobada
1 1 1 1 Moción aprobada

Mediciones y pruebas

  1. Comprobación lógica estática: Asegúrate de que no haya botones presionados. Mide el voltaje en el Pin 6 de U1. Debería estar cerca de 0 V. Presiona S1. El voltaje debería subir a ~5 V. Repite para S2 y S3 individualmente.
  2. Validación de anti-rebote: Conecta un osciloscopio a RAW_A y IN_A. Presiona S1. RAW_A puede mostrar picos de voltaje agudos/ruido al contacto. IN_A debería mostrar una curva de ascenso exponencial suave, filtrando el ruido antes de que llegue a la puerta lógica.
  3. Retardo en cascada: Esta es una medición avanzada. Mide el retardo de propagación entre IN_A y LOGIC_OUT frente a IN_C y LOGIC_OUT. Debido a que IN_A debe pasar por dos puertas (Puerta 1 y luego Puerta 2), el retardo de propagación total será ligeramente mayor que IN_C, que solo pasa por la Puerta 2.

Netlist SPICE y simulación

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

* Simple electronic voting system
* Based on Practical Case BOM and Wiring Guide

* --- Power Supply ---
* V1 connects between node VCC and node 0 (GND).
V1 VCC 0 DC 5

* --- User Input Stimuli (Button Presses) ---
* We simulate the physical push-buttons using Voltage Controlled Switches (S1-S3)
* controlled by independent PULSE sources (V_CTRL_A, etc.) to mimic user behavior.
* The timing is staggered to test inputs A, B, and C sequentially with sufficient 
* time for the RC debounce circuits to charge and discharge.

* Judge A: Press at 1ms, hold for 2ms (releases at 3ms)
V_CTRL_A CTRL_A 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 2m 20m)

* Judge B: Press at 6ms, hold for 2ms (releases at 8ms)
V_CTRL_B CTRL_B 0 PULSE(0 5 6m 1u 1u 2m 20m)

* Judge C: Press at 11ms, hold for 2ms (releases at 13ms)
* ... (truncated in public view) ...

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* Simple electronic voting system
* Based on Practical Case BOM and Wiring Guide

* --- Power Supply ---
* V1 connects between node VCC and node 0 (GND).
V1 VCC 0 DC 5

* --- User Input Stimuli (Button Presses) ---
* We simulate the physical push-buttons using Voltage Controlled Switches (S1-S3)
* controlled by independent PULSE sources (V_CTRL_A, etc.) to mimic user behavior.
* The timing is staggered to test inputs A, B, and C sequentially with sufficient 
* time for the RC debounce circuits to charge and discharge.

* Judge A: Press at 1ms, hold for 2ms (releases at 3ms)
V_CTRL_A CTRL_A 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 2m 20m)

* Judge B: Press at 6ms, hold for 2ms (releases at 8ms)
V_CTRL_B CTRL_B 0 PULSE(0 5 6m 1u 1u 2m 20m)

* Judge C: Press at 11ms, hold for 2ms (releases at 13ms)
V_CTRL_C CTRL_C 0 PULSE(0 5 11m 1u 1u 2m 20m)

* --- Input Stage: Judge A ---
* S1 connects between VCC and node RAW_A
S1 VCC RAW_A CTRL_A 0 SW_PB
* R1 (10k) pull-down for Node A (RAW_A to 0)
R1 RAW_A 0 10k
* R4 (1k) RC debounce series resistance (RAW_A to IN_A)
R4 RAW_A IN_A 1k
* C1 (100nF) debounce filtering (IN_A to 0)
C1 IN_A 0 100n

* --- Input Stage: Judge B ---
* S2 connects between VCC and node RAW_B
S2 VCC RAW_B CTRL_B 0 SW_PB
* R2 (10k) pull-down for Node B (RAW_B to 0)
R2 RAW_B 0 10k
* R5 (1k) RC debounce series resistance (RAW_B to IN_B)
R5 RAW_B IN_B 1k
* C2 (100nF) debounce filtering (IN_B to 0)
C2 IN_B 0 100n

* --- Input Stage: Judge C ---
* S3 connects between VCC and node RAW_C
S3 VCC RAW_C CTRL_C 0 SW_PB
* R3 (10k) pull-down for Node C (RAW_C to 0)
R3 RAW_C 0 10k
* R6 (1k) RC debounce series resistance (RAW_C to IN_C)
R6 RAW_C IN_C 1k
* C3 (100nF) debounce filtering (IN_C to 0)
C3 IN_C 0 100n

* --- Logic Processing: U1 (74HC32 Quad 2-Input OR Gate) ---
* Implemented using Behavioral Voltage Sources (B-sources) for robust simulation.
* Logic Transfer Function: Continuous Sigmoid approximation of OR gate.
* Vout = VCC * Sigmoid( max(Input1, Input2) - Threshold )
* Threshold set to 2.5V (Mid-rail).
* U1 Pin 14 (VCC) and Pin 7 (GND) are functionally represented by the V(VCC) term and node 0 reference.

* Gate 1: Inputs IN_A (Pin 1), IN_B (Pin 2) -> Output GATE1_OUT (Pin 3)
* Corresponds to wiring: U1 pin 1 to IN_A, U1 pin 2 to IN_B, U1 pin 3 to GATE1_OUT
B_U1_G1 GATE1_OUT 0 V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(-20 * (max(V(IN_A), V(IN_B)) - 2.5))))

* Cascading Connection:
* Wiring: U1 pin 4 connects to node GATE1_OUT.

* Gate 2: Inputs GATE1_OUT (Pin 4), IN_C (Pin 5) -> Output LOGIC_OUT (Pin 6)
* Corresponds to wiring: U1 pin 4 to GATE1_OUT, U1 pin 5 to IN_C, U1 pin 6 to LOGIC_OUT
B_U1_G2 LOGIC_OUT 0 V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(-20 * (max(V(GATE1_OUT), V(IN_C)) - 2.5))))

* --- Output Stage ---
* R7 connects between LOGIC_OUT and node LED_ANODE
R7 LOGIC_OUT LED_ANODE 330
* D1 connects between LED_ANODE (Anode) and 0 (Cathode)
D1 LED_ANODE 0 D_LED

* --- Models ---
* Switch model for push buttons (Active High control)
.model SW_PB SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)
* Generic LED model (Red)
.model D_LED D(IS=1n N=2 RS=10 BV=5)

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis for 15ms to capture all button presses and RC discharge curves.
* Step size 10us is sufficient for the 100us/1.1ms time constants.
.tran 10u 15m

* Print required nodes for validation
.print tran V(IN_A) V(IN_B) V(IN_C) V(GATE1_OUT) V(LOGIC_OUT) V(LED_ANODE)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (3274 rows) 
Index   time            v(in_a)         v(in_b)         v(in_c)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
1	1.000000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
2	2.000000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
3	4.000000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
4	8.000000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
5	1.600000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
6	3.200000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
7	6.400000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
8	1.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
9	2.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
10	3.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
11	4.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
12	5.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
13	6.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
14	7.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
15	8.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
16	9.280000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
17	1.028000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
18	1.128000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
19	1.228000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
20	1.328000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
21	1.428000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
22	1.528000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
23	1.628000e-04	4.995005e-03	4.995005e-03	4.995005e-03
... (3250 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: No instalar las resistencias pull-down (R1, R2, R3). Sin ellas, las entradas del 74HC32 actúan como antenas, haciendo que el LED parpadee aleatoriamente o se quede atascado en Alto. Solución: Siempre referencia las entradas a GND cuando el interruptor esté abierto.
  2. Ignorar el pinout: Conectar la Entrada C al Pin 3 (que es una salida). Esto crea un cortocircuito cuando la puerta intenta conducir a Bajo mientras el botón conduce a Alto. Solución: Comprueba dos veces el diagrama de pines en la hoja de datos antes de encender.
  3. Constante de tiempo RC excesiva: Usar un condensador demasiado grande (por ejemplo, 100 µF) para el circuito de anti-rebote. Esto crea un aumento de voltaje muy lento que hace que la puerta digital oscile linealmente durante el cruce del umbral. Solución: Cíñete a 100 nF – 1 µF para entradas lógicas simples.

Solución de problemas

  • El LED está siempre ENCENDIDO: Comprueba las resistencias pull-down. Si el voltaje medido en los pines 1, 2 o 5 es flotante (no 0 V), la puerta lo interpreta como Lógica Alta.
  • El LED no se enciende para el Juez A o B: Verifica la conexión en cascada. El Pin 3 (Salida de la primera puerta) debe estar físicamente cableado al Pin 4 (Entrada de la segunda puerta).
  • Comportamiento errático al tocar los cables: Indica falta de conexiones a tierra en entradas no utilizadas (si las hay) o entradas operativas flotantes. Asegúrate de que todas las tierras compartan un punto común.
  • La puerta se calienta: Comprueba si hay cortocircuitos de salida a salida o de salida a VCC. Desconecta la alimentación inmediatamente.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Extensión de voto por mayoría: Modificar la lógica para requerir al menos dos votos positivos para aprobar la moción (utilizando una combinación de puertas AND y OR: $AB + BC + AC$).
  2. Funcionalidad de cerrojo (Latch): Añadir un Flip-Flop D (por ejemplo, 74HC74) después de la salida. Una vez aprobada la moción (LED ENCENDIDO), la luz permanece ENCENDIDA hasta que un supervisor presione un botón dedicado de «Reset».

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué topología lógica se utiliza para procesar las señales de los jueces?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple la eliminación de rebotes (debouncing) en este circuito?




Pregunta 4: ¿En qué situación permanecerá APAGADO (Lógica Baja) el LED de salida?




Pregunta 5: ¿Cuál es una aplicación práctica mencionada para los enclavamientos de seguridad basada en esta lógica?




Pregunta 6: ¿Cómo se aplica esta lógica en los tableros de instrumentos de automóviles?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de interruptores se utilizan para representar a los jueces en el diseño?




Pregunta 8: ¿Qué sucede con el LED si el Juez A y el Juez C presionan sus botones, pero el Juez B no?




Pregunta 9: ¿Cómo se relaciona este circuito con las solicitudes de interrupción en microcontroladores?




Pregunta 10: ¿Qué concepto técnico se menciona como parte de la integración del diseño además de la lógica combinacional?




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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