Цифровой таймер на логических микросхемах с энкодером

На рис.1 представлена принципиальная схема таймера обратного отсчета времени, который может быть встроен в любое из устройств управления нагрузкой или оповещать об окончании заданного промежутка времени в диапазоне до 99 секунд или минут.

Схема таймера выполнена на 10 логических микросхемах и паре интегральных таймеров (всего 12 корпусов). Для выделения из коммутационных состояний энкодера необходимых сигналов на входах реверсивных счетчиков «up-down» и сигналов «установочного» счета «CLK» использован формирователь (дискриминатор) импульсов на микросхеме CD4093 (U2). На выходе элемента U2.1 формируется сигнал «up-down», управляющий направлением счета счетчиков U3-U4 (К561ИЕ14-CD4029) по входу U/D (вывод 10), при нулевом состоянии которого счет ведется на убывание (down), при единичном состоянии – на возрастание (up). На выходе элемента U2.4 при вращении энкодера создаются импульсы, поступающие на входы CLK (вывод 15) этих же счетчиков определяя выходное состояние выходов Q1-Q4. Эти счетчики находятся по умолчанию после включения в режиме записи (режим установки времени таймера) и состояние выходов может быть в любой момент изменено поворотом энкодера в любом направлении. Режим записи этих счетчиков обеспечивается наличием логической 1 на входе PSE (вывод 1) включении таймера. Таким образом, дискриминатор на микросхеме U2 и счетчики U3, U4 образуют схему четырехбитного десятичного декодера. Счетчики U6-U7 так же находятся после включения в режиме записи и транслируют состояние выходов Q1-Q4  счетчиков U3-U4 на входы дешифраторов U10-U12 или U11-U13 (первая пара – К176ИД3, вторая – CD4511, - схема разрабатывалась под оба типа дешифраторов). Т.к. U10-U12 по умолчанию («жесткая» лог 1 на входе «С» - вывод 1; для К176ИД3 и на входе LT для CD4511 – вывод 5) находятся в режиме трансляции, то состояние входов этих микросхем отображается на семисегментных индикаторах, подключаемых к выходам A-G микросхем U10-U12 (U11-U13). "Десятичная" работа счетчиков U3,U4 и U6,U7 обеспечивается наличием лог 0 на входах B/D (выводы 9 счетчиков). Установка лог 0 на входах PSE счетчиков U6-U7 обеспечивается состоянием выхода Q1 триггера U15.1, который устанавливается в лог 1 при подаче питания формированием положительного импульса цепочкой C13, R23 или в процессе работы с помощью кнопки «set» (S2). При этом "запрещающий" лог. 0 подается на элемент U9.2, делая невозможным подачу импульсов на вход "CLK1" триггера в процессе установки времени до нажатия на кнопку «start», запрещается и работа одновибратора на микросхеме U5, определяющей время работы звукового сигнала и продолжительность времени работы нагрузки по окончании времени отсчета. Так же при подаче питания сбрасывается триггер U15.2, но в противоположное (нулевое) относительно U15.1 состояние, т.к. при включении установка происходит по входу «set» положительном импульсом через диод VD13. При этом триггер U15.2 запрещает работу генератора на микросхеме U14 (вход RST), запрещает работу элемента U8.4 (инициирующего мигание индикации при срабатывании сигнала предупреждения). Режим установки времени выбран «сквозным»: при переполнении счета вверх, продолжение вращения энкодера вызовет «круговое» нарастание времени (после 99 последует 0 и т.д.) и – наоборот – после 0 при противоположном вращении энкодера за 0 последует 99. 

Таймер готов к обратному отсчету или установке значения времени сразу же после включения. При нажатии на кнопку «start» (S3), триггер U15.1 состоянием на выходе Q1 (вывод 1) переводит счетчики U6-U7 в режим счета (лог 0 на входе PSE - вывод 1); обеспечивает запрет изменения состояний на выходах Q1-Q4 микросхем U3, U4 подачей лог 0 на вход элемента U2.4 (вывод 13), блокируя появление возможных импульсов на входе «CLK» с энкодера. Последнее сделано для предотвращения изменения начальной установки времени, произведенной оператором или установки по умолчанию (выбирается с помощью предустановок состояний входов J1-J4 счетчиков U3, U4 и отображается при включении). В этом случае, для повтора временного промежутка работы нагрузки, выбранного ранее, достаточно вновь нажать кнопку «start». Высоким уровнем на инверсном выходе Q1 U15.1 открывается транзистор VT1, подавая питание на обмотку реле нагрузки. Контакты реле замыкаются, нагрузка включается. С выхода выбранного переключателем S1 одного из двух генераторов, собранных на элементах U9.3, U9.4, импульсы, подаваемые на входы CLK U6, U7 с момента включения таймера, начинают восприниматься счетчиками в режиме счета и начинается процесс обратного отсчета установленного значения времени. Как только время обратного отсчета закончится, на выходах переноса CO счетчиков появятся 0, разрешающие изменение состояния элемента U8.1. В этот момент на его выходе (вывод 3) появится положительный уровень, инициирующий изменение состояния триггера U15.1 по входу «CLK1» посредством формирования импульса на выходе элемента U8.3. Триггер U15.1 вновь переведет счетчики U6, U7 высоким уровнем на собственном выходе Q1 (вывод 1) в режим записи с установленным ранее значением времени на индикаторах; запретит изменение состояния элемента U9.2 – что бы до нажатия кнопки «start» состояние триггера не могло измениться. Этим же уровнем будет запущен одновибратор на таймере U5 по входу TRIC (вывод 2). Этот одновибратор положительным импульсом на собственном выходе (вывод 3) поддерживает нагрузку во включенном состоянии и запускает на время присутствия импульса генератор на таймере U14 (при наличии разрешающего уровня от триггера U15.2). Генератор U14 положительными импульсами (частотой около 2Гц) коммутирует генератор тона на активном спикере LS1. Звуковое оповещение прекращается либо при окончании положительного импульса на выходе U5, либо вращением энкодера при установке нового значения времени, либо нажатием кнопок «start», «set». Импульсом на выходе U9.2 (вывод 4) так же меняется состояние и триггера U15.2, разрешающего высоким уровнем на Q2 (вывод 12) работу генератора на таймере U14 по входу RST (вывод 4). Оба разрешающих уровня для генератора на U14 регламентируются монтажным «И» (диоды VD2, VD6, резистор R18). В любой момент работы таймера отсчет времени может быть остановлен с отключением нагрузки и возвратом к значениям установленного времени нажатием кнопки «set». 

Для таймера были разработаны печатные платы в двух вариантах (рис.3-рис.6) под имеющийся набор компонентов. Во втором варианте платы использованы корпуса SOJ для микросхем U2, U5, U9, U14, U15. Место под светодиодные семисегментные индикаторы на платах не предусмотрено ввиду большого количества типов этих компонентов. Использовать однако можно совершенно любые одиночные индикаторы с рабочим током до 3-5мА на сегмент. При использовании индикаторов с общим катодом в паре с дешифраторами К176ИД3, мною была применена схема, изображенная на рис.7, где выходные ключи дешифратора шунтируют сегменты индикатора. При напряжении от +5 до +9В и резисторах 430Ом свечение сегментов индикатора было равномерным. В настоящий момент таймер не оформлен конструктивно, т.к. платы пока не изготовлены, но схема собрана и отработана на макетной плате (рис.2, + видео). 

Рис.2 Макет таймера

Рис.3 Вариант 1 печатной платы таймера (верх)

Рис.4 Вариант 1 печатной платы таймера (низ)

Рис.5 Вариант 2 печатной платы таймера (верх)

Рис.6 Вариант 2 печатной платы таймера (низ)

Рис.7 вариант подключения семисегментного индикатора с общим катодом к микросхеме К176ИД3

Таймер при исправных компонентах и правильной сборке не требует какой-либо предварительной наладки. Вся настройка сводится к установке секундных и минутных интервалов генераторов, собранных на элементах U9.3 (R4, C4), U9.4 (R3, C1); установке требуемого времени работы одновибратора на микросхеме U14 путем подбора его хронирующей цепи (R10, R11-не предусмотрен на плате, C8). Начальное время отсчета, задаваемое при включении, при необходимости можно установить с помощью коммутации входов J1-J4 счетчиков U3, U4 с тем, что бы при включении отображалось наиболее часто используемое значение времени (не предусмотрено при разработке плат). Таймер устойчиво работает в диапазоне напряжений 5-9В, однако из-за нестабильности тактовых генераторов (уход частоты при изменении напряжения питания), напряжение питания необходимо использовать фиксированное стабилизированное. Светодиоды HL1, HL2, HL5, HL6, так же, как и балластные резисторы R7, R8, R25, R26, - не обязательны к установке, т.к. назначение этих светодиодов - диагностическое. Светодиод HL3 индицирует включение нагрузки, HL4 - мигание при звуковом оповещении.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Таймер
• Энкодер
• DipTrace