Цифровой таймер

              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

               Разработка структурной схемы

_______________________________________________________________

  Структурная  схема устройства приведена на рис.  

Рис. 

На схеме  введены следующие обозначения:

 

 Клав. – Клавиатура;

 К –  Кодер клавиатуры;

 РЗ  – Регистр-защелка;

 СВВ  – Счетчик выдержки времени;

 ПК  – Преобразователь кода;

 Инд-р.  – Семисегментный индикатор;

 ДН – Детектор нажатий;

 СН  – Счетчик нажатий; 

 ДПЗ  – Дешифратор позиций загрузки;

 СО  – Схема обнуления;

 СУ  – Схема управления;

 БУИУ  – Блок управления исполнительным  устройством;

 ИУ  – Исполнительное устройство;

 ТГ  – Тактовый генератор;

 ДЧ  – Делитель частоты;

 СБ  – Схема блокировки;

 СУ  – Сигнальное устройство. 
 

  Рассмотрим  работу устройства при начальном  вводе значения выдержки. Для  ввода выдержки используются  клавиши 0…9 клавиатуры. При нажатии  на клавишу сигнал от нее  поступает на кодер клавиатуры (КК), который преобразует номер клавиши в инверсный двоичный код. С кодера клавиатуры этот номер поступает на вход регистра–защелки (РЗ). Он предназначен для фиксации номера нажатой клавиши на время, необходимое для записи в счетчик выдержки времени (СВВ), а также для исключения влияния “дребезга контактов” клавиатуры на работу устройства.

  Регистр-защелка  фиксирует предварительно установленные  на его входах значения по  команде со схемы управления (СУ). Число записей в секунду зависит  от частоты тактового генератора. Оптимальное его значение составляет 10-20. Сигнал с РЗ инвертируется и поступает на входы параллельной загрузки СВВ, а также на вход детектора нажатий  (ДН).

  Детектор  представляет собой элемент И  с четырьмя входами. Если не  нажата ни одна клавиша, то на выходе КК установлен код 0000. Этот код записывается в РЗ, инвертируется и поступает на ДН в виде 1111. В результате на выходе ДН устанавливается логическая единица. При нажатии на какую либо клавишу на выходе кодера клавиатуры установится значение, в котором будут присутствовать и нули и единицы. Это исключает возможность появления на входе ДН четырех единиц, и, следовательно, на выходе ДН при любой нажатой клавише установится логический ноль. Такой способ распознавания нажатых клавиш позволил упростить КК, отказавшись от специальной шины индикации нажатий, и позволил применить РЗ на 4 бита.

  С  выхода детектора нажатий сигнал  поступает на счетчик нажатий  (СН) и дешифратор позиций записи (ДПЗ). Счетчик нажатий имеет три  разряда. Два из них используются непосредственно для подсчета нажатий, а третий – для блокировки схемы управления после ввода всех цифр. Счетчик переключается из одного состояния в другое только после отпускания клавиши. Это позволяет более рационально использовать его разряды благодаря присвоению первому нажатию номера 00.

Со счетчика нажатий число нажатых клавиш передается в двоичном коде на дешифратор ДПЗ. Он преобразует это число  в десятичное и, по сигналу от схемы  управления, подает разрешающий сигнал на соответствующий сегмент СВВ.  Разрешающий сигнал подается на один из двух стробирующих входов ДПЗ. На второй стробирующий вход подается сигнал с выхода ДН. Это необходимо чтобы при ненажатых клавишах запретить загрузку в СВВ значения 1111. 

  Записанный  в сегмент СВВ двоично-десятичный номер нажатой клавиши поступает на дешифратор, который преобразует его в код семисегментного индикатора. Этот код подается на полупроводниковый индикатор, который высвечивает соответствующее число.

  После  отпускания клавиши на вход  детектора нажатий поступает код 1111, на его выходе соответственно происходит перепад 0 – 1 и счетчик нажатий переводится в следующее  состояние. После 4-го отпускания клавиши логическая единица устанавливается в третьем разряде СН. С этого разряда она подается на схему управления, блокируя ее работу и запрещая дальнейшую загрузку значений в СВВ, а также на блок управления исполнительными устройствами (БУИУ), разрешая запуск исполнительных устройств. Цикл ввода на этом заканчивается. При желании можно повторить ввод. Для этого на клавиатуре нажимают клавишу «Сброс». Сигнал от этой клавиши подается на схему обнуления, которая вырабатывает сигнал обнуления для РЗ, СВВ и СН, переводя их в исходные состояния.

  Для  запуска процесса формирования  выдержки необходимо нажать на клавишу «Пуск» на  клавиатуре. Сигнал с этой клавиши подается на вход БУИУ, который разрешает прохождение импульсов с делителя частоты на вход СВВ. Первый же перепад 0 – 1 с выхода схемы блокировки прохождения импульсов через БУИУ включает исполнительное устройство. Начинается цикл формирования выдержки. Он продолжается до тех пор пока на вход СВВ не поступит заданное количество импульсов N. При появлении на входе СВВ фонта импульса с номером N+1 на БУИУ подается сигнал окончания выдержки, который отключает исполнительное устройство. На этом интервал выдержки заканчивается. Как видно из приведенных вкладок он может быть рассчитан по формуле: 

     T= tи + tзсвв – tзн 

 где

    tи – длительность  импульса на входе СВВ,

    tзсв  - задержка распространения в СВВ,

    tзн – задержка включение нагрузка, обусловленная задержкой в БУИУ.

  Если  минимальный интервал выдержки  составляет 1с то последними двумя  значениями можно пренебречь, т.к.  их величины (порядка десятков  ns) не будет вносить существенной погрешности .

  Помимо  БУИУ сигнал окончания выдержки  подается также на схему обнуления,  которая приводит все устройство  в исходное состояние, разрешая  тем самым загрузку нового  значения в СВВ.

  В  заключении необходимо отметить, что процесс формирования выдержки  времени в любой момент можно прервать путем нажатия на кнопку «Сброс». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          

    Разработка  принципиальной схемы

      Блоки предустановки значения выдержки

____________________________________________________________

    1) Клавиатура

 

 Клавиатура, используемая в данной разработке должна содержать не менее двенадцати клавиш – клавиши для ввода цифр 0…9 и две функциональные клавиши – “сброс” и “пуск”.

 Как  показал анализ различных конструктивных  вариантов клавиатур, а также  обзор промышленно выпускаемых клавиатур, наиболее приемлема конструкция фирмы “TESLA” типа GP-8213. 

  

  Конструкция  представляет собой пластину  из диэлектрического материала  (стеклотекстолит) на которой  методом химического травления  выполнены контактные площадки. Пример такой площадки показан на рисунке (рис.  ). Для замыкания между собой этих контактов используется резиновый диск, на который напылена тонкая пленка электропроводящего материала.

  Диск  приклеивается к резиновому основанию,  которое исполняет роль пружины (рис.  ). 

 

  При  нажатии на клавишу контактный  диск прижимается к металлическим  контактным площадкам и замыкает  их между собой. Как показали  измерения, несмотря на то, что  электропроводящий слой достаточно  тонкий, сопротивление такого контакта составляет примерно 60 Ом, что вполне приемлемо для управления цифровыми микросхемами ТТЛ (ТТЛШ).

  Схема  соединения контактных площадок  приведена на рис. Н. Одна  из сторон каждого контакта  клавиш 0…9 а также клавиши  “пуск” соединяется с источником питания +5В. Входная сторона клавиши “стоп” соединяется с нулевым проводом. 

   

 

  Сопротивление  резистора R зависит от входного сопротивления кодера клавиатуры, и будет определено далее.

    Клавиатура укрепляется на передней  панели устройства под окном цифрового индикатора.                

      2)  Кодер клавиатуры

 

  Как  сказано выше, кодер клавиатуры  должен обеспечивать преобразование  десятичного кода в инверсный  двоичный код. Среди микросхем  серии 155 (555) имеются микросхемы выполняющие функцию перекодировки кода “1 из 10” в двоичный код. Однако эти микросхемы имеют один существенный недостаток – у них отсутствуют инверсные выходы. Это не позволяет использовать их в данном кодере без применения  дополнительных инверторов. Поэтому было принято решение в качестве кодера использовать составленную соответствующим образом диодную матрицу.

  Таблица  истинности кодера приведена  в табл. , а принципиальная схема  кодирования одного из входов (”2”) – на рис.  

Номер входа   Выходной  код 1 2 4 8 1 0 1 1 1 2 1 0 1 1 3 0 0 1 1 4 1 1 0 1 5 0 1 0 1 6 1 0 0 1 7 0 0 0 1 8 1 1 1 0 9 0 1 1 0 0 1 1 1 1

 

 

Рис.

  При подаче  положительного напряжения на  вход “2” диоды открываются  и на выходе устанавливаются  инверсные логические уровни 1101, соответствующие числу два.

  Резисторы  R1-R4 необходимы для надежного открывания диодов, в случае если входное сопротивление регистра-защелки окажется слишком велико.

  Минимальное  сопротивление этих резисторов  выбирается исходя из максимального допустимого тока через диоды. При этом учитывается то, что их сопротивление должно быть в 5-6 раз больше чем сопротивление ограничительного резистора в блоке клавиатуры.

  Максимальное  сопротивление резисторов ограничивается  минимальным входным током логических элементов ТТЛШ, при котором входной сигнал воспринимается как логический ноль. Это сопротивление рекомендуется не более 3 кОм. Исходя из этого было выбрано сопротивление R1-R4 2,7 кОм, а сопротивление ограничительного резистора в клавиатуре – 470 Ом.

         3) Регистр-защелка

 

  Регистр-защелка  должен обеспечивать запись входных  значений по сигналу от СУ  и выдачу этих значений в  инверсном коде. Помимо этого  он должен иметь вход обнуления.  Количество разрядов регистра  должно быть не менее четырех. При всем многообразии возможные технических решений наиболее экономичным является использование в качестве РЗ микросхемы К555ТМ8, которая предназначена для построения параллельных регистров данных, запускаемых перепадами тактовых импульсов. Микросхема   расположена в 16-контактном корпусе и содержит набор D-триггеров, имеющих общие входы синхронного сброса R и тактового запуска С._В микросхеме ТМ8 число триггеров четыре, у каждого есть прямые и инверсные выходы Q. Цоколевка микросхемы показана на рис. . Режимы работы триггеров микросхемы соответствуют табл. . Сброс всех триггеров в состояние Qн = 0 произойдет, когда на вход асинхронного сброса R будет подано напряжение низкого уровня. Входы C и Dn при этом не действуют, их состояние безразлично.

  Информацию от параллельных входов данных D1-D4 можно загрузить в триггеры микросхемы, если на вход R подать напряжение высокого уровня, а на тактовый вход С – положительный перепад импульса. При этом предварительно установленные на каждом входе D напряжения высокого или низкого уровня появятся на выходе Q.

  Микросхема  К555ТМ8 потребляет ток 18 мА, максимальная  тактовая частота составляет 35 МГц,  время задержки распространения  сигнала сброса – 28 ns.