Эксперимент 18. Собираем таймер для определения реакции человека

Поскольку таймер 555 способен функционировать на частотах, измеряемых в тысячах герц, вы можете использовать его для определения скорости человеческой реакции. Вы имеете возможность устроить соревнование с друзьями на проверку быстроты реакции, а также выяснить, как скорость реакции зависит от вашего состояния, времени дня или от того, насколько хорошо вы выспались накануне.

Перед тем как продолжить, я должен предупредить вас, что эта схема имеет больше соединений, чем те схемы, которые вы делали ранее. Схематически она не на много сложнее, но требует большого количества соединений и может быть выполнена только на макетной плате, которая имеет 63 ряда отверстий. Поскольку мы можем разделить нашу работу на несколько этапов, то это поможет вам определить ошибки, если таковые возникнут. Вам понадобятся:

1. Микросхема 4026. Количество — 4 шт. (на самом деле вам нужно только 3, но купите еще одну на случай выхода какой-нибудь из строя).
2. Таймеры 555. Количество — 3 шт.
3. Кнопки (однополюсные однопозиционные переключатели без фиксации). Количество — 3 шт.
4. Три светодиодных цифровых индикатора или один индикатор для отображения трех цифр. Количество — 1 шт.
5. Макетная плата, резисторы, конденсаторы и мультиметр, как обычно.

Шаг 1. Индикатор

Вы можете использовать три отдельных светодиодных индикатора для каждой цифры, но я предлагаю вам купить семисег-ментный светодиодный индикатор ВС56-11EWA производства компании Kingbright. Он содержит три семисегментных цифровых индикатора в одном корпусе.

Вы должны будете установить его с правой стороны вашей макетной платы в ее середине, чтобы индикатор закрывал ее среднюю часть. Индикатор плотно вставьте в макетную плату так, как это показано на Figur 1. На этом этапе не следует предварительно вставлять какие-либо другие компоненты.

Теперь установите на вашем источнике питания напряжение, равное 9 В, и подключите отрицательный вывод к тому ряду отверстий, которые находятся с правой стороны макетной платы.

Вставьте резистор с сопротивлением 1 кОм между отрицательным выводом источника питания (Земля) и каждым из трех выводов: 18, 19 и 26 индикатора ВС56-11EWA, который является устройством с «общим катодом», что означает общее соединение всех катодов всех светодиодов (светодиодного сегмента) каждого цифрового индикатора. (Номера выводов индикатора показаны на рис. 2. Если вы используете другой тип индикатора, то нужно просмотреть соответствующий справочный лист технических данных, чтобы найти какой вывод (выводы) должен быть подключен к отрицательному выводу источника питания (Земля)).

Включите источник питания и коснитесь оголенным концом провода, идущего от положительного вывода источника питания, каждого ряда отверстий, соответствующих выводам всех сегментов индикатора. При этом вы должны увидеть, что каждый сегмент загорится, как это показано на Figur 1 для сегмента «с» цифры 1.

Каждая десятичная цифра от 0 до 9 отображается группой определенных сегментов. Эти сегменты на индикаторе всегда обозначаются строчными латинскими буквами от «а» до «g» (Figur 3). Дополнительно часто используется светодиод для отображения десятичной точки, хотя мы и не будем ее использовать, на рисунке она обозначена буквой «h».

Посмотрите на Figur 2, где показан индикатор BC56-11EWA от компании Kingbright, и рядом с каждым выводом вы заметите обозначение всех соответствующих сегментов индикатора. Вы можете проверить индикатор, подключая провод от положительного вывода источника питания к каждому выводу сегмента, чтобы убедиться, что этот сегмент загорается.

Кстати, данный индикатор имеет два сдвоенных вывода, пронумерованных цифрами 3 и 26 со значком «-» в небольшом кружке и расположенной рядом цифрой 1. Этот символ обозначает то, что эти два вывода предназначены для подключения провода от отрицательного вывода источника питания (Земля) первой цифры индикатора. Почему два вывода вместо одного? Я не знаю. Вам же необходимо использовать только один, а поскольку это пассивный элемент, то не имеет значения, если вы оставите неиспользуемые выводы неподключенными. Нужно позаботиться только о том, чтобы случайно не подать на них положительного напряжения, поскольку это может привести к короткому замыканию.

Цифровое табло не имеет источника питания или собственной логики. Это просто набор светоизлучающих диодов. На самом деле от этого пока большой пользы нет до тех пор, пока мы не сможем определить способ включения светодиодов, объединенных в группу — это и будет нашим следующим шагом.

Шаг 2. Счетчик

К счастью, у нас есть микросхема с обозначением 4026, которая, получая импульсы, считает их и выдает соответствующие выходные напряжения, которые в свою очередь могут управлять 7-сегментным индикатором так, что он будет отображать цифры от 0 до 9. Единственная проблема заключается в том, что это устаревший тип микросхемы с технологией CMOS (что означает Complementary Metal Oxide Semiconductor — комплементарный металло-оксидный полупроводник — КМОП), которая чувствительна к статическому электричеству. Прежде чем продолжить, в следующем далее примечании прочтите предосторожности, которые следует обязательно выполнять при работе с такими микросхемами.

Заземление своего тела

Чтобы избежать неприятностей, которые могут случиться, когда вы будете подавать напряжение питания на схему и чтобы ничего не случилось, следует убедиться, что вы выполняете приведенные здесь предосторожности, когда работаете с устаревшим поколением микросхем с технологией КМОП (CMOS) (которые часто имеют обозначения от 4000 и выше, например, 4002, 4020 и т. д.).

Микросхемы часто поставляются таким образом, что их штырьковые выводы закорочены черной губкой. Эта губка обладает хорошей электропроводностью, и вы должны держать их в таком виде до тех пор, пока они не понадобятся.

Если микросхемы поставляются в пластмассовых трубчатых упаковках, то вы можете извлечь их и наколоть их штырьковыми выводами на кусочек проводящей губки или, если у вас нет губки, использовать для этой цели алюминиевую фольгу. Идея состоит в том, чтобы не дать какому-либо одному выводу микросхемы получить гораздо больший потенциал, чем потенциал другого вывода.

При работе с компонентами КМОП (CMOS) очень важную роль играет заземление самого работающего. Я обнаружил, что в сухую погоду на мне накапливается статическое электричество, когда я прохожу в носках по полу, покрытому линолеумом, содержащим определенное количество синтетических волокон. Вы можете купить антистатический браслет, чтобы заземлить ваше тело, или просто коснуться большого металлического объекта, например металлического шкафа для папок, перед тем как брать в руки вашу печатную плату. Я приучил себя работать в таком положении, когда носок моей ноги касается металлического шкафа, что решает эту проблему.

Никогда не надо паять микросхемы КМОП (CMOS), когда на них подано напряжение питания.

Заземление наконечника вашего паяльники тоже неплохой способ защиты от статического электричества.

Но лучше всего не паять микросхемы КМОП (CMOS) вообще. Когда вы готовы «увековечить» устройство, переместите все компоненты с макетной платы на перфорированную печатную плату, припаяйте к ней подходящую панельку для такой микросхемы, а затем вставьте ее в эту панельку. Если у вас возникнет проблема в будущем, то вы можете извлечь неисправную микросхему и вставить исправную.

Используйте заземленную проводящую поверхность на вашем рабочем столе. Самый дешевый способ добиться этого — положить кусок алюминиевой фольги и заземлить его (с помощью «крокодила» с длинным проводом), подключив этот провод к радиатору или к большому стальному объекту. Я предпочитаю использовать кусок проводящей губки для поверхности моего стола. Это тот же самый тип губки, которая используется при упаковке интегральных микросхем. Однако такая губка довольно дорого стоит.

Выключите напряжение питания и подсоедините провода блока питания к верхней части макетной платы так, как это необходимо для данного эксперимента — нам в данном случае потребуется положительное и отрицательное напряжение питания на двух краях макетной платы. Разводку питания можно посмотреть на Abbildung. 4. Если макетная плата не имеет цветной маркировки колонок отверстий, предназначенных для подключения питания, то я предлагаю использовать для их обозначения цветные маркеры Шарпи (Шарпи — популярная торговая марка маркеров/фломастеров в США, в том числе с нестираемым и несмываемым составом), чтобы избежать ошибок при подключении питания с неправильной полярностью, что может привести к выходу из строя компонентов.

При питании микросхемы счетчика 4026 от источника с напряжением 9 В она обладает достаточной выходной мощностью для включения светодиодов нашего индикатора. Следует убедиться, что микросхема сориентирована правильно, и затем вставить ее в макетную плату рядом и немного выше вашего трехзначного индикатора, оставив между ними незанятый только один ряд контактных отверстий.

На схеме (Abbildung. 5) изображено подключение выводов микросхемы 4026 к индикатору. Стрелки с цифрами показывают номера выводов индикатора, к которым должны быть подключены эти выводы счетчика.

Von Figur 6 показана схема расположения и назначения каждого вывода микросхемы 4026. Вы должны сравнить ее со схемой, приведенной на Abbildung. 5.

К схеме следует добавить кнопку между положительным полюсом источника питания и выводом 1 счетчика 4026, а также подключить этот вывод через резистор с сопротивлением 10 кОм к отрицательному полюсу источника питания (Земля), чтобы поддерживать отрицательный потенциал на этом выводе до тех пор, пока не будет нажата кнопка. Следует убедиться, что все подключения к источнику питания выполнены правильно, и затем подать напряжение питания. Вы должны обнаружить, что когда вы слегка будете нажимать на кнопку, счетчик будет считать, а индикатор отображать цифры от «0» до «9», а затем снова начнет с «0». Вы также можете обнаружить, что микросхема счетчика иногда неверно воспринимает нажатие на кнопку и сразу отсчитывает две или более единиц за одно касание. Я вернусь к этой проблеме несколько позднее.

Сегменты светодиода не будут светить очень ярко, поскольку последовательно подключенные резисторы R4—R6 с сопротивлением 1 кОм будут оставлять им ровно столько мощности, сколько им требуется. Эти резисторы необходимы для ограничения избыточного тока, поступающего от счетчика.

Basisinformationen

Счетчики и семисегментные индикаторыБольшинство счетчиков получают поток импульсов и рас­пределяют их группу выводов в определенной последователь­ности. Десятичный счетчик 4026 является необычным в том смысле, что он на свои выходные выводы выдает такие комби­нации напряжений, которые специально рассчитаны, чтобы за­ставить светиться семисегментные индикаторы. Отдельные счетчики на своих выходах создают положитель­ные сигналы (они являются «источниками» тока), в то время как другие создают отрицательный сигнал на выходе (они являются «приемниками» тока). Некоторым семисегментным индикато­рам для отображения требуются положительные входные сиг­налы. Такие индикаторы называются индикаторами с общим катодом. Другим индикаторам требуются отрицательные вход­ные сигналы и потому их называют индикаторами с общим ано­дом. Выходные сигналы счетчика 4026 положительные, поэтому для него нужен индикатор с общим катодом. Тщательно проверяйте справочные листы технических дан­ных для каждой микросхемы счетчика, чтобы определить какую мощность они потребляют и какую мощность они могут выдавать. Микросхемы КМОП (CMOS) являются несколько устаревшими, но они очень полезны для тех, кто выбрал электронику в качестве хобби, поскольку они способны использовать широкий диапазон значений напряжения питания — в случае интегральной микро­схемы счетчика 4026 этот диапазон простирается от 5 до 15 В. Дру­гие виды микросхем в этом смысле не столь универсальны. Большинство счетчиков могут быть источниками или при­емниками только для нескольких миллиампер выходной мощ­ности. Когда микросхема 4026 работает от источника питания 9 В, она может быть источником тока со значением примерно до 4 мА на каждый вывод. Этого вполне достаточно для эксплуата­ции светодиодного семисегментного индикатора. Вы можете включить резисторы последовательно на каждом выводе счетчика и на каждом входе цифрового индикатора, но бо­лее простое и менее затратное по времени решение, это исполь­зование одного последовательно подключенного резистора для каждого индикатора цифры между общим выводом катодов светодиодов сегментов и землей. В эксперименте, который я описываю, используется именно такое решение. Недостаток его заключается в том, что цифры, которые требуют использования только двух сег­ментов в индикаторе (например, цифра «1»), будут светиться ярче, чем те, которые используют много сегментов (например, цифра «8»). Если же вы хотите, чтобы ваша трехразрядная индикация с профессиональной точки зрения выглядела ярко и безупречно, то вам нужно использовать транзисторы для управления выводами каждого сегмента в каждом цифровом индикаторе. В качестве альтернативы могут быть использованы микросхемы, которые для усиления тока содержат множество операционных усилителей. Когда десятичный счетчик при счете достигает значения «9» и переключается на значение «0», он выдает импульс со своего вывода «сигнал переноса». С помощью этого выходного сигнала можно запустить другой счетчик, который уже будет выполнять счет десятков. Вывод сигнала переноса этого второго счетчика может быть подключен к третьему счетчику, который будет осуществлять счет сотен и т. д. Кроме десятичных счетчиков существуют шестнадцатеричные счетчики (которые считают до 16), восьмеричные счетчики (до 8) и т. д. Зачем нужно что-либо подсчитывать не в десятках? Представьте, что у вас есть цифровые часы с четырехзначной индикацией, которые выполняют счет по-разному. Правая крайняя цифра изменяет свое значения после достижения «10». Следующая слева цифра считает до «6». Первая цифра единиц часов, которая считает до «10», выдает сигнал переноса схеме, которая считает до «2», и выдает следующий сигнал переноса. Крайняя слева цифра может быть либо отключенной, либо показывать «1», при отображении времени в 12-часовом формате. Естественно, что существуют счетчики, которые специально спроектированы, чтобы выполнять эту работу. Счетчики имеют ряд управляющих выводов, таких как: «Запрет тактирования» (Disable clock), который указывает счетчику игнорировать его входные импульсы и приостановить или, иначе говоря, «заморозить» индикацию; вывод «Разрешить индикацию» (Enable display), который разрешает подавать сигналы на выходы микросхемы для последующей их индикации; вывод «Сброс» (Reset), с помощью которого обнуляется результат отсчета. Счетчику 4026 необходим положительный сигнал на входе, чтобы сделать активным каждый управляющий вывод. Когда выводы заземлены, то их функции отключены. Чтобы выполнить отсчет счетчиком 4026 и отобразить результат на табло, вы должны заземлить выводы «Запрет тактирования» и «Сброс» (чтобы отключить их функции) и приложить положительный потенциал к выводу «Разрешить индикацию» (для активации выхода). Обратите свое внимание на Abbildung. 6, где приведено назначение выводов.

Предположим, что вы успешно собрали схему со счетчиком для управления одного разряда цифрового семисегментного индикатора, а теперь хотите добавить еще два счетчика, которые будут управлять двумя оставшимися разрядами индикатора. Первый счетчик предназначен для счета единиц, второй — десятков, а третий — сотен.

Von рис. 7 я продолжу изображать схему с использованием стрелок с цифрами, которые будут показывать вам, какие выводы счетчиков должны быть подключены к соответствующим выводам цифрового трехразрядного индикатора. В противном случае схема будет представлять спутанный клубок проводов, пересекающихся друг с другом.

В этом месте вас может охватить ужас от такого числа соединений, но на самом деле, при использовании макетной платы это не должно занимать более получаса для завершения этой части проекта.

Я полагаю, что вы все же попытаетесь сделать это, поскольку есть что-то магическое, когда устройство индикации выполняет счет от 000 до 999 «все в себе», а я выбрал это устройство, потому что оно также имеет большую ценность с образовательной точки зрения.

Кнопка S1 подключается к выводу «Запрет тактирования» (Disable clock) микросхемы IC1, так что, когда вы будете удерживать кнопку в нажатом состоянии, счетчик считать не будет. Поскольку микросхема IC1 управляет следующим счетчиком IC2, а он в свою очередь управляет третьим счетчиком IC3, то, если вы приостанавливаете счетчик IC1, остальные две микросхемы так же будут ждать возобновления счета. Поэтому далее в этой схеме вам более не потребуется использовать выводы «Запрет тактирования» (Disable clock).

Кнопка S2 подключена к выводам «Сброс» (Reset) всех трех счетчиков, поэтому, когда вы удерживаете ее в нажатом состоянии, все они должны быть обнулены.

Кнопка S3 посылает положительные импульсы вручную на вывод «Тактовый вход» первого счетчика.

Параллельно всем кнопкам S1, S2 и S3 подключены резисторы с сопротивлением 1 кОм, но соединенные с минусовым выводом источника питания («земля»). Идея состоит в том, что, когда кнопки не нажаты, эти подтягивающие резисторы будут поддерживать потенциал выводов близким к потенциалу земли (нулю). Когда вы нажимаете одну из кнопок, прямо на микросхему осуществляется подача положительного напряжения, что может легко перекрыть отрицательное напряжение. Таким образом, выводы остаются либо в явно положительном, либо в явно отрицательном состоянии. Если же вы отсоедините один из этих подтягивающих резисторов, то вы, вероятно, заметите неустойчивые состояния цифр на индикаторе. (Сам цифровой индикатор имеет несколько неподсоединенных выводов, но они не создают никаких проблем, поскольку индикатор — это пассивный элемент, который просто осуществляет включение светодиодных сегментов).

Fußnote
Всегда следует подключать выводы КМОП-(CMOS-)микросхем таким образом, чтобы они были либо положительными, либо отрицательными.

Я полагаю, что вы уже подключили все провода согласно предыдущей схеме. После этого с помощью небольших отрезков одножильного провода 22 AWG (0,64 мм) нужно выполнить все соединения выводов панелек микросхем ICI, IC2 и IC3 с цифровым семисегментным индикатором IC4 (см. рис. 7).

Включите напряжение питания и нажмите кнопку S2. На вашем индикаторе вы должны увидеть 3 нуля.

Каждый раз после нажатия кнопки S3 результат счета будет увеличиваться на 1. Если вы снова нажмете кнопку S2, то счетчики и индикатор примут исходное нулевое положение. Если вы будете удерживать нажатой кнопку S1, одновременно периодически нажимая на кнопку S3, то счетчик будет оставаться в определенном зафиксированном («замороженном») положении, игнорируя все счетные импульсы, поступающие от кнопки S3.

Никаких плавающих выводов!

Микросхема КМ0П-(CM0S-) структурыявляется по своей «природе» гиперчувствительной. Любой вывод, который не подключен к источнику питания или «земле», называют плавающим. Подобные выводы могут стать антенной, которая будет реагировать на малейшие изменения в окружающей микросхему среде.

Микросхема счетчика 4026 имеет вывод, который обозначен, как «Запрет тактирования» (Disable clock). Технические данные производителя услужливо сообщают нам, что, если вы подадите на этот вывод положительное напряжение, то интегральная микросхема прекратит счет и «заморозит» показания на индикаторе. Если вы не хотите этого, то вы можете просто игнорировать этот вывод и оставить его неподключенным, по меньшей мере, пока выполняете тестирование микросхемы. На самом деле это очень плохая идея!

К сожалению, справочный лист технических данных не представляет информацию о том, что для нормального функционирования тактовых импульсов функция запрещения тактирования должна быть отключена путем соединения вывода «Запрет тактирования» (Disable clock) микросхемы к отрицательному выводу источника питания («земле»). Если же вы оставите этот вывод «плавающим» (а я сообщаю вам это из своего опыта), микросхема будет работать с ошибками и бесполезно.

Все входные выводы должны быть либо положительными, либо отрицательными, если не указано иное.

Basisinformationen

Дребезг контактов при переключенияхКогда вы нажимаете выключатель Б3, я полагаю, вы обнару­жите, что иногда показания табло увеличиваются более, чем на 1. Это не означает, что что-то было сделано неправильно при монтаже вашей платы или ваших компонентов; вы просто на­блюдаете эффект, который называется дребезг контактов. Если рассматривать этот эффект на микроскопическом уров­не, то контакты внутри кнопочного переключателя не примы­кают друг к другу плавно, плотно и сразу. Они, перед тем как успокоиться, колеблются несколько микросекунд; а микросхе­ма счетчика регистрирует эти колебания в виде серии импуль­сов, а не воспринимает в качестве одного импульса. Для устранения дребезга контактов можно использовать различные схемы. Наиболее простым способом является при­менение небольшого конденсатора, который подключается параллельно переключателю для подавления этих изменений сигнала; но это решение далеко от идеального. Я вернусь к теме устранения дребезга позднее. Дребезг контактов кнопки Б3 не является проблемой для данной схемы, поскольку далее мы эту кнопку собираемся заменить таймером 555, который и будет ге­нерировать четкие импульсы без всякого «дребезга».

Генерирование импульсов

Микросхема таймера 555 идеальна для управления микросхемой счетчика. Мы уже рассмотрели, как с помощью таймера 555 можно сформировать последовательность импульсов, которые заставляют динамик гудеть. На Abbildung. 8 я привожу ту же самую схему (но в более упрощенном виде) подключения источника питания в данном проекте. Я также показываю соединение выводов 2 и 6 так, как оно чаще всего выполняется — с помощью провода, который проходит над корпусом микросхемы.

Для данного эксперимента я предлагаю, чтобы начальные значения компонентов были выбраны таким образом, чтобы выполнялось генерирование импульсов с частотой только 4 Гц. Любая большая частота генерирования не даст вам возможности проверить правильность выполнения счета.

На вашу макетную плату чуть выше интегральной микросхемы IC1 установите микросхему таймера 555 IC5 и соответствующие ей компоненты, которые должны быть к ней подсоединены. Не следует оставлять какой-либо зазор между микросхемами. Отсоедините кнопку S3 и резистор R3 и подключите провод напрямую между выводом 3 микросхемы IC5 и выводом 1 микросхемы генерирование положительного импульса на своем выходе (вывод 3). Когда же конденсатор достигал заряда, равного 2/3 напряжения источника питания, то в это время таймеру 555 указывалось, что на его выходе нужно завершить формирование положительного импульса и переключить выход обратно в исходное состояние с напряжением, соответствующим отрицательному выводу источника питания («земля»).

Хорошо, но если в данном случае нет конденсатора, то нет ничего такого, что могло бы вернуть таймер в исходное состояние. Тогда на выходе будет продолжаться формирование положительного импульса. Тем не менее вывод 4 (Сброс) сохраняет самый высокий приоритет для переключения таймера. После подачи сигнала «Сброс» выход таймера будет оставаться отрицательным, что всегда и происходит, до тех пор, пока вновь вы не переключите таймер, уменьшив напряжение на выводе 2, т. е. выдав сигнал «Запуск». Это приведет обратно к переключению таймера, и он снова будет генерировать положительное напряжение на выходе.

Далее приведем выводы для бистабильного режима таймера 555 (с двумя устойчивыми состояниями).

• Подача отрицательного импульса на вывод 2 приводит к началу формирования положительного сигнала на выходе таймера.
• Подача отрицательного импульса на вывод 4 возвращает сигнал на выходе таймера в исходное состояние с напряжением, соответствующим отрицательному выводу источника питания («земля»).
• Таймер постоянно находится в одном из этих состояний. Время пребывания в этих состояниях может длиться бесконечно.

При этом нормально оставить выводы 5 и 7 таймера неподключенными, поскольку мы переводим их в крайние состояния, в которых подача любого произвольного сигнала на эти выводы будет игнорироваться.

В бистабильном режиме таймер 555 превращается в один большой триггер. Чтобы избежать какой-либо неопределенности, мы с помощью подтягивающих резисторов на выводах 2 и 4 микросхемы поддерживаем положительные напряжения, но отрицательные импульсы на этих выводах могут преобладать, когда мы хотим, чтобы таймер 555 переключился в противоположное состояние. Схема таймера 555, работающего в бистабильном режиме и управляемого двумя кнопками, приведена на рис. 10. Вы можете добавить эту схему к ранее собранной. Поскольку мы собираемся подключить выход микросхемы IC6 таймера 555 (вывод 3) к выводу 2 (Запрет тактирования) микросхемы IC1 самого верхнего по схеме счетчика, вы можете отключить кнопку S1 и резистор R1 от этого вывода, как это было в предыдущей схеме (см. рис. 7).

Теперь снова включите напряжение питания. Вы должны обнаружить, что схема выполняет счет точно так же, как и раньше, но когда вы нажимаете кнопку S4, счетчики останавливаются («замораживаются»). Это связано с тем, что микросхема IC6 таймера 555, работающая в бистабильном режиме, передает положительный сигнал со своего выхода на вывод 2 (Запрет тактирования) счетчика IC1. Счетчик будет продолжать получать поток импульсов от микросхемы IC5 (таймера 555, работающего в автоколебательном режиме) (см. Abbildung. 8), но пока на выводе 2 счетчика сохраняется положительный потенциал, счетчик будет просто игнорировать эти импульсы.

Теперь нажмите кнопку S5 (см. рис. 10), которая переключает таймер 555 (микросхему IC6), на выходе которого теперь появляется отрицательный сигнал. Это приведет к возобновлению счета.

Мы подошли очень близко к окончательной доработке схемы. Мы теперь можем обнулить показания счетчика (кнопкой S2), запустить счет (кнопкой S5) и подождать, пока пользователь остановит счет (кнопкой S4). Единственное, что мы упустили, это способ для неожиданной подачи сигнала для последующей остановки схемы.

Latency

Давайте установим еще один таймер 555, который будет работать в моностабильном режиме. Запустим его с вывода 2 с помощью отрицательного импульса, и таймер при этом будет выдавать положительный сигнал, который будет длиться, ну скажем, 4 сек. В конце этого времени его выход вернется в исходное состояние, когда на нем будет отрицательный сигнал. Мы можем подсоединить этот выход (вывод 3 микросхемы 1С7) к выводу 4 микросхемы 1С6 и использовать перепад импульса из положительного в отрицательное состояние (срез импульса). Этот перепад можно применить вместо кнопки S5, которую мы нажимали ранее для начала отсчета.

Соберите и проверьте новую схему, которая приведена на рис. 11 и в которую добавлен еще один таймер 555 — это микросхема 1С7, расположенная чуть выше микросхемы 1С6. Когда сигнал на выходе микросхемы 1С7 будет переключаться из положительного в отрицательное состояние, он, поступая на вывод 4 (Сброс) микросхемы 1С6, будет переключать ее выход в исходное отрицательное состояние, которое позволяет счетчикам начать счет. Таким образом, микросхема IC7 занимает место кнопки запуска счета S5. Поэтому теперь вы можете отказаться от кнопки S5, но при этом сохранить подтягивающий резистор R10, поскольку вывод 4 (Сброс) микросхемы IC6 должен оставаться положительным все остальное время.

Такая система будет работать, поскольку я дополнительно использовал конденсатор C4 для подключения выхода микросхемы IC7 к выводу сброса микросхемы IC6 (вывод 4). Этот конденсатор пропускает только кратковременный перепад импульса с положительного уровня напряжения на отрицательный (уровень земли), а обратный перепад с выхода микросхемы не оказывает никакого влияния на микросхему IC6.

Окончательная схема, приведенная на рис. 11, содержит три таймера 555, соединенных вместе — они расположены выше самого верхнего младшего счетчика, т. е. микросхемы IC1. Для подачи сигнала пользователю я также добавил светодиод. На рис. 12 приведена фотография моего работающего макета этой схемы.

Поскольку схема достаточно сложная, подведу некоторый итог, приводя последовательность происходящих событий во время ее работы. При выполнении следующих шагов надо руководствоваться схемой, которая приведена на рис. 11:

1. Пользователь нажимает кнопку S4 для запуска задержки, что приводит к переключению микросхемы IC7.
2. В течение нескольких секунд, пока заряжается конденсатор C5, выход микросхемы IC7 остается в состоянии высокого уровня, соответствующего положительному выводу источника питания.
3. После этого выход микросхемы IC7 становится низкого уровня, равного потенциалу «земли».
4. Этот перепад микросхема IC7 выдает через конденсатор C4 на вывод 4 интегральной схемы IC6.
5. Выход микросхемы IC6 переключается в состояние низкого уровня и фиксируется в этом состоянии.
6. Выходной сигнал низкого уровня микросхемы IC6 зажигает сигнальный светодиод.
7. Этот же выходной сигнал низкого уровня микросхемы IC6 подается также на вывод 2 микросхемы счетчика IC1.
8. Напряжение низкого уровня на этом выводе микросхемы IC1 дает возможность счетчику IC1 начать счет.
9. Пользователь, заметив загоревшийся сигнальный светодиод, нажимает кнопку «Стоп» S3.
10. Кнопка S3 подключает вывод 2 микросхемы IC6 к земле.
11. Выход микросхемы IC6 переключается в состояние высокого уровня и остается в этом состоянии.
12. Выход высокого уровня микросхемы IC6 выключает сигнальный светодиод.
13. Выходной сигнал высокого уровня с вывода 3 микросхемы IC6 также подается на вывод 2 (Запрет тактирования) микросхемы IC1.
14. Высокий уровень напряжения на выводе 2 микросхемы счетчика IC1 останавливает счет, который он осуществлял.
15. После изучения результата на индикаторе пользователь нажимает кнопку S2.
16. Эта кнопка S2 подает положительное напряжение на все выводы 15 микросхем IC1, IC2, IC3.
17. Положительное напряжение сбрасывает показания счетчика.
18. Пользователь теперь может повторить попытку.
19. Тем временем микросхема IC5 работает непрерывно.

Если же вам легче понять работу по блок-схеме, то я ее представил на рис. 13.

Использование устройства для определения реакции человека

Начиная с этого момента, вы можете проверить схему полностью. Когда вы первый раз включаете ее, она начинает счет, которой несколько раздражает, но который легко остановить. Для этого нажмите кнопку S3. Нажмите кнопку S2, чтобы обнулить показания.

Теперь нажмите кнопку S4. После этого, кажется, что ничего не происходит — в этом-то и заключается основная идея. Цикл задержки начинается в скрытом режиме. Через несколько секунд этот цикл заканчивается и загорается сигнальный светодиод. Одновременно начинается отсчет. Чтобы его остановить, пользователь с максимально возможной скоростью должен нажать на кнопку S3. Цифры «замирают», показывая сколько времени прошло.

Теперь осталась только одна проблема — система еще не от-калибрована. Она все еще работает в замедленном режиме. Чтобы сделать частоту генерирования равной 1000 Гц, а не 3 или 4 Гц, вам нужно изменить сопротивление времязадающего резистора и емкость конденсатора, которые подключены к микросхеме IC5.

Замените резистор R8 подстроечным потенциометром с сопротивлением 10 кОм, а конденсатор С2 конденсатором емкостью 1 мкФ. Если потенциометр установить в положение максимального сопротивления, то такая комбинация компонентов будет приводить к генерированию импульсов с частотой 690 Гц. Когда же вы начнете уменьшать сопротивление потенциометра, примерно на половине этого пути таймер будет генерировать с частотой 1000 Гц.

А как точно определить это положение потенциометра и соответственно эту частоту? Идеальным решением было бы подключение осциллографа к выходу микросхемы IC5. Но вероятнее всего у вас нет осциллографа, поэтому я предложу пару других способов.

Сначала в качестве конденсатора С2 вместо конденсатора номиналом 1 мкФ установите конденсатор емкостью 10 мкФ. Поскольку вы увеличили емкость в 10 раз, то вы в 10 раз уменьшили частоту. Крайняя левая цифра на вашем табло должна теперь выполнять отсчет в секундах, а достигнув числа 9, переключиться на 0 и выполнять это каждые 10 сек. Вы должны всего лишь выполнить регулировку подстроечным потенциометром, проверяя при этом время счета с помощью секундомера. Когда вы убедитесь, что настройка выполнена точно, надо опять заменить конденсатор C2 емкостью 10 мкФ на конденсатор 1 мкФ.

В этом случае остается одна лишь проблема — точность емкости конденсатора может колебаться в пределах 10%. Если же вы хотите выполнить точную настройку вашего определителя реакции человека, вы можете поступить следующим образом.

Отсоедините соединительный провод, подключенный к выводу 5 микросхемы старшего счетчика IC3, и замените его све-тодиодом с последовательно подключенным резистором с сопротивлением 1 кОм, который должен быть подключен к минусу источника питания (земле). Вывод 5 — это вывод выходного сигнала переноса (carry), который представляет собой положительный импульс, когда счетчик IC3 досчитывает в прямом направлении до «9» и снова переключается на «0». Поскольку счетчик IC3 должен считать десятые доли секунд, то вам надо, чтобы сигнал переноса на выводе 5 появлялся каждую секунду.

Теперь запустите схему, чтобы она работала в течение минуты, и с помощью вашего секундомера подсчитайте количество миганий светодиода. Так можно отрегулировать частоту с точностью до ±1 Гц. Если у вас есть видеокамера, у которой имеется дисплей с отсчетом времени в видоискателе, то вы можете использовать ее для проверки мигания светодиода.

Если светодиод мигает слишком часто, то это легко заметить, вы можете присоединить провод от вывода 5 к другому таймеру 555, который работает в моностабильном режиме, для создания выхода, который выполняет генерирование на протяжении примерно 1/10 сек. В этом случае можно использовать выход таймера для включения светодиода.

Дальнейшие улучшения

Само собой разумеется, что каждый раз, когда вы заканчиваете проект, вы видите, что существуют возможности его улучшить. Далее приведены некоторые идеи в этом направлении.

• При включении напряжения питания желательно не выполнять счет. Поэтому было бы замечательно, если бы схема при включении питания выдавала сигнал своей готовности, а не выполняла счет сразу же. Чтобы добиться этого вам понадобится подать отрицательный импульс на вывод 2 микросхемы IC6 и может быть положительный импульс на вывод 15 (Сброс) микросхем счетчиков. Возможно, что для этого потребуется еще один таймер 555. Я хочу предоставить вам возможность самим поэкспериментировать в этом направлении.
• Слышимый сигнал после нажатия кнопки «Старт». В настоящее время нет никакого подтверждения того, что кнопка «Старт» запустила какой-либо процесс. Для решения этой задачи вам придется приобрести пьезоэлектрический звуковой сигнализатор и подключить его между правой стороной кнопки «Старт» и плюсом питания.
• Желателен произвольный интервал времени задержки перед тем, как счетчик начнет выполнять счет. Сделать так, чтобы электронные компоненты срабатывали с произвольными значениями временных задержек, очень трудная задача, но один из способов добиться этого — это создать схему, в которой пользователь замыкает своим пальцем пару металлических контактов. Сопротивление кожи пальца будет заменять резистор R11. А поскольку сопротивление пальца каждый раз будет различно, то будет меняться и время задержки. При этом вам потребуется также выполнить подстройку емкости конденсатора С5.

Zusammenfassend

Итак, этот проект показал, каким образом можно управлять микросхемой счетчика, как можно между собой соединять микросхемы счетчиков, а также продемонстрировал три различные функции таймера 555. Кроме того, он показал каким образом интегральные микросхемы могут обмениваться данными друг с другом. В проекте также содержится некоторое введение в калибровку схемы после завершения ее монтажа.

Естественно, если вы хотите получить некоторую практическую пользу от схемы, то должны выполнить ее монтаж в корпусе с надежными кнопками, особенно должна быть прочной кнопка, которая будет останавливать счет. Вы легко можете заметить, что когда люди проверяют свою реакцию, они склонны давить на кнопку достаточно сильно.

Поскольку это был довольно сложный проект, далее я продолжу с рассмотрения более простых и быстро реализуемых устройств, которые продолжат ваше погружение в волнующий мир интегральных схем другого назначения, а именно мир логических микросхем.