Projekt TIMER, czyli prawie mikrofalówka.

[VorMan]

Wstęp:
Założeniem projektu było zbudowanie układu realizującego odliczanie czasu (w dół) w przedziale 0-9 sekund ze skokiem o jedną sekundę.  Podczas odliczania wyjście mocy układu miało być w stanie wysokim, natomiast w chwili "0" układ miał być w stanie statycznym z możliwością ustawienia czasu.. W ten sposób otrzymujemy sterowanie dwustawne. Projekt można porównać do działania typowej kuchenki mikrofalowej. 

Podstawowe założenia:

• Umożliwienie zaprogramowania i odliczania czasu w przedziale 0-9 sekund
• Rozdzielczość 1sek. uzyskana z połączenia generatora (min 10Hz) i dzielnika częstotliwości
• Programowanie czasu za pomocą impulsatora obrotowego
• Kierunek zliczania w dół
• Używania technologia: CMOS, elementy przewlekane, montaż na płytce uniwersalnej U-11 z zastosowaniem przewodu KYNAR 
• Dwa wejścia układu: Pierwsze: przycisk START , Drugie: Impulsator obrotowy
• Dwa elektryczne wyjścia układu:  Pierwsze: wyjście do sterowania dwustawnego wybranym urządzeniem.  Drugie: generujące impuls o szerokości ok 0.5sek sygnalizujący (dioda LED/ buzzer) zakończenie odliczania
• Sygnalizacja LED: Dioda czerwona: obecność zasilania,  Dioda żółta: praca generatora,  Dioda zielona: aktywne wyjście pierwsze,  Dioda niebieska: aktywne wyjście drugie

Ograniczenia i zabezpieczenia

• Programowanie możliwe wyłącznie przed uruchomieniem odliczania
• Nieaktywny przycisk START podczas odliczania
• Automatyczny reset układu po zakończeniu odliczania i resetowanie wybranych komponentów zaraz po podłączeniu zasilania (zabezpieczenie przed zakłóceniami)
• Zabezpieczenie przed błędną biegunowością zasilania
• Zabezpieczenie przed przekroczeniem wartości napięcia zasilania

Schemat blokowy:

Opis bloków układu

1.  Blok zasilania i zabezpieczeń
   Układ zasilany jest napięciem +10V ze zewnętrznego, stabilizowanego źródła zasilania. Jako filtrację zastosowano dwa kondensatory. Elektrolityczny (C7) o pojemności 100uF i ceramiczny (C5) o pojemności 100nF.  Dodatkowo: Dioda Zennera 12V (D1)- przeciwko zbyt wysokiemu napięciu zasilania i Tranzystor MOS z kanałem typu P (Q1) przeciwko odwrotnej polaryzacji.
    
2. Blok generatora
   Jako generator został użyty układ NE555 działający w trybie astabilnym. Dzięki temu uzyskujemy na jego wyjściu impulsy prostokątne o zadanym wypełnieniu i o danej częstotliwości. Wypełnienie i częstotliwość ustawiamy poprzez dobranie odpowiednich wartości elementów C1, R1 i R2. Generator został zaprojektowany na częstotliwość 10H.

   Pin RES został podłączony do napięcia zasilania dzięki czemu układ działa w trybie astabilnym. Sygnał z wyjścia generatora kierowany jest zarówno do bloku sygnalizacji (na diodę led) oraz do bloku dzielnika częstotliwości, gdzie uzyska się częstotliwość około 1Hz.
   

3. Blok dzielnika częstotliwości
   Jako dzielnik częstotliwości zastosowano układ 4017- dzielnik dekadowy (IC2). Na wejście układu CLK wchodzi sygnał pochodzący z bramki AND (utworzonej z dwóch bramek NAND (IC6). Dzięki temu generator nie wysyła impulsów gdy cały układ jest w stanie statycznym. Gdy układ jest w stanie odliczania na dzielnik wchodzi sygnał pochodzący z generatora. Wykorzystując tylko jedno wyjście dzielnika uzyskujemy sygnał o częstotliwości 1HZ (10Hz dzielone jest na 10 wyjść więc na pojedynczym wyjściu uzyskujemy 1Hz). Następnie sygnał ten skierowany jest do bloku licznika.

4. Blok programowania
   Układ programowany jest poprzez zliczanie impulsów pochodzących z impulsatora obrotowego. Wyjście z impulsatora musi być szczególnie filtrowane. W tym celu zastosowano filtr RC zbudowany z elementów R3, R4 i C8. Zadaniem filtru jest usuwanie szybkozmiennych zakłóceń pochodzących z drgań styków impulsatora. Następnie przefiltrowany sygnał kierowany jest na wejście przerzutnika Schmitta 40106 (IC7A). Z wyjścia uzyskujemy ładne prostokątne piki, które kolejno kierowane są do bloku sterowania i licznika.

5. Blok wyświetlania
   Blok wyświetlający składa się z dwóch podstawowych części:
   Układ 4511 (IC4) - dekoder kodu BCD do kodu 7-SEG. Na wyjścia dekodera (6,2,1,7) wchodzi sygnał z licznika w postaci kodu BCD. Zadaniem dekodera jest konwersja tego sygnału na sygnał odpowiedzi dla wyświetlacza 7-segmentowego (DIS1). Wyjścia dekodera (14,15,9,10,11,12,13) podłączone są poprzez rezystory R5-R12 o wartościach $375\Omega$ do wyświetlacza zgodnie z oznaczeniami (A->a itd.). Piny 3 i 4 zostały podłączone do napięcia zasilania, natomiast pin 5 do GND co determinuje poprawne działanie układu. 
   Efektorem bloku wyświetlającym jest wyświetlacz 7-segmentowy w układzie ze wspólną katodą. 

6. Blok licznika i sterowania
   Jest to główny układ całego systemy odpowiedzialny zarówno za pracę licznika jak i za całe sterowanie. Możemy wyróżnić trzy podstawowe układy scalone: 
   
   4013 (IC5A) - przerzutnik typu D. Na wejście 6 przerzutnika (SET) wchodzi sygnał pochodzący z przycisku S1. Naciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu układu Q (pin 1). To natomiast powoduje uruchomienie odliczania, zaświecenie się diody LED3\_GREEN, oraz pojawienie się prądu na kolektorze tranzystora będącego wyjściem mocy. Po zakończeniu odliczania układ jest resetowany. Pojawia się wtedy stan wysoki na wyjściu 2. Daje to możliwość programowania. Po podłączeniu płytki do zasilania, układ jest resetowany dzięki utworzonemu z bramki NAND (IC12B), rezystora R13 i kondensatora C3 autoresetowi.  
   
   4510 (IC3) - licznik UP/DOWN. Zadaniem licznika jest zliczanie impulsów, które wchodzą na jego wejście 15. Zależnie od stanu wejścia U/D 10 impulsy zliczane są w dół lub w górę. Gdy układ jest w stanie programowania licznik zlicza w górę, natomiast gdy jest w stanie zliczania - w dół. Gdy licznik zliczy zadaną wartość (zliczy w dół) i dojdzie do zera, to na jego wyjściu 7 pojawi się stan niski co następnie zresetuje przerzutnik IC5A (przednio przechodząc przez odpowiednie funkcje logiczne realizowane na bramkach logicznych. 
   
   4047 (IC11) - monowibrator monostabilny. Jego zadaniem jest wygenerowanie impulsu o szerokości około 0.5 sek na wyjściu 10 w momencie gdy na wejściu 8 pojawi się zmiana stanu. Długość impulsu ustawiana jest poprzez odpowiednie dobranie elementów R14 i C4.
   
   W bloku tym zostało również zawarte wyjście mocy. Jest ono realizowany poprzez tranzystor NPN BD911 w układzie otwartego kolektora. Do kolektora została podłączona żarówka, której pobór prądu wynosi 300mA.

Instrukcja obsługi urządzenia
W celu uruchomienia urządzenia należy podłączyć stabilne zasilanie o napięciu znamionowym 10V. Po podłączeniu zasilania powinna zapalić się czerwona dioda informująca o obecności napięcia zasilania, natomiast dioda żółta powinna migać z częstotliwością 10Hz, co świadczy o poprawnym działaniu generatora. W tej chwili użytkownik ma możliwość zaprogramowania odpowiedniego odcinka czasu (w granicach 1-9sek) poprzez kręcenie impulsatorem obrotowym. Każdy impuls równy jest wartości +1 do czasu odliczania. Liczba sekund wyświetlana jest na wyświetlaczu 7-segmentowym. Po uprzednio zaprogramowanym czasie, użytkownik może uruchomić odliczanie poprzez wciśnięcie przycisku który wbudowany jest w impulsator. Po wciśnięciu przycisku START zostaje uruchomione odliczanie czasu oraz zapala się dioda i żarówka. W czasie odliczania użytkownik nie ma możliwości modyfikowania czasu. Zakończenie odliczania sygnalizowane jest sygnałem dźwiękowym (poprzez buzzer) i świetlnym (dioda niebieska) przez 0.5 sekundy. W tym samym momencie układ jest resetowany i użytkownik ma możliwość ponownego programowania.

Testowanie układu
Układ został przetestowany pod względem poprawnego funkcjonowania. Przeprowadzono następujące testy:

Układ jest odporny na zmiany napięcia zasilania w zakresie 2.5-12V. Stabilne działanie układu uzyskuje się przy napięciu znamionowym 10V (na takie napięcie układ został zaprojektowany)

Podczas odliczania przycisk START oraz impulsator nie działa co jest prawidłowym zachowaniem. Wszystkie diody działają prawidłowo. Buzzer generuje poprawny dźwięk trwający ok 0.5sek. Przy podłączeniu zasilania wybrane układy scalone są poprawnie resetowane (licznik jest w stanie 0, buzzer nie wydaje dźwięku, przerzutnik jest w stanie RESET)

Napotkane problemy

W pierwszej wersji układu nie zastosowano filtra RC i  przerzutnika Schmitta  (jedynie PULL-UP) w celu filtracji impulsów z impulsatora. Spowodowało to, że zakłócenia przenikały do układu i licznik zliczał impulsy losowo. W kolejnej wersji zastosowano filtr RC. Wyjście filtru RC można zaobserwować na poniższym oscylogramie:

Niestety nie pomogło to dostateczny sposób. Dopiero zastosowanie przerzutnika Schmitta spowodowało, że układ działa prawidłowo, co można zaobserwować poniżej: 

Schemat ideowy

Schemat montażowy

[Treker (Damian Szymański)]

@VorMan, witam na forum i dziękuję za opis ciekawego projektu 🙂