/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>федеральное агентство пообразованию
государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
«тюменскийгосударственный нефтегазовый университет»
ИНСТИТУТНЕФТИ И ГАЗА
КафедраКибернетических систем
Контрольная работа
тема: Цифровой кухонныйтаймер
Тюмень 2008
1.Принципиальное описание цифрового кухонного таймера
Человек проводит накухне большое количество времени. Большая часть его уходит на приготовлениепищи. А в этом процессе очень важно следить за временем варки, жарки и т.д.Также часто подводит человеческий фактор. Хозяйка может отвлечься, забыть, чтоу нее включена духовка или плита. В решение этой проблемы может помочь кухонныйтаймер. Один из его видов приведен здесь.
Основное достоинствопредлагаемого кухонного таймера — удобство пользования. Пока сетевая вилкавставлена в розетку 220 В, прибор готов к работе, достаточно нажать на кнопку.На индикаторах в любой момент можно увидеть, сколько времени осталось доокончания выдержки. По ее истечении прозвучит звуковой сигнал плавнонарастающей громкости, после чего таймер автоматически выключится, ожидая новойкоманды. Сетевая вилка может оставаться включенной в розетку постоянно, так какв пассивном состоянии (до начала выдержки и после окончания звукового сигнала)почти все узлы таймера обесточены. От сети в это время потребляется только токхолостого хода трансформатора питания.
Входным сигналом дляначала работы является подача напряжения через нажатие кнопок установки временитаймера.
Цифровой кухонныйтаймер включен в сеть переменного напряжения 220В. Постоянное напряжение снимаемоес трансформатора 12-18В. Потребляемая мощность 3 Вт.
Информация таймеравыводится на электронные индикаторы. Хранение информации в таймере непредусмотрено. Каждый раз надо вводить временной интервал заново.
Тактовый генераторсобран по типовой схеме на микросхеме К176ИЕ12 (DD2) с кварцевым резонаторомZQ1 частотой 32768 Гц. Его импульсы (с периодом 1 с или 1 мин в зависимости отположения переключателя SA1) поступают на узел отсчета времени — счетчики DD3 иDD4 К561ИЕ14. Они включены таким образом, что работают «на вычитание», поэтомуустановка выдержки и отсчет времени идут в сторону уменьшения. Элементы DD5,DD6, HG1, HG2 предназначены для дешифрации и индикации остатка времени.
К выходам переносасчетчиков DD3 и DD4 подключен элемент совпадения из диодов VD11, VD12 ирезистора R24. Низкий логический уровень на ее выходе служит сигналом окончаниявыдержки. Дифференцирующая цепь R1C1 и пороговый элемент — триггер Шмиттa DD1.1-формируют импульс, в течение которого включен звуковой сигнал.
Элемент DD1.3 — генератор сигнала звуковой частоты, транзистор VT5 — его усилитель. Частотазвука промоду-лирована импульсами треугольной формы, поступающими черезрезистор R19 с генератора на элементе DD1.2-Это придает сигналу более заметный,вибрирующий характер. Подстроечным резистором R20 частоту «вибрато» можноизменить.
Благодаря цепиR23R27VD13C11 в момент срабатывания таймера сигнал звучит с пониженнойгромкостью, которая по мере зарядки конденсатора С11 плавно нарастает.Переменным резистором R26 устанавливают максимальную громкость сигнала.
Основой узла питаниятаймера служит трансформатор Т1. Напряжение с его обмотки II, выпрямленноедиодным мостом VD6, поступает на стабилизатор (транзисторы VT3, VT4). Падениенапряжения на светодиоде HL1 и диоде VD5, через которые в прямом направлениипротекает ток нагрузки выпрямителя, увеличивает на 2,3…2,6 В разностьпотенциалов между катодами и анодами индикаторов HG1 и HG2, что приводит кзаметному росту яркости формируемых цифр.
Переменное напряжениенакала индикаторов поступает от обмотки III трансформатора Т1. Когда таймернаходится в пассивном состоянии, электронный ключ на транзисторах VT1 и VT2разрывает цепь накала. Падение переменного напряжения на открытом во времявыдержки ключе не превышает 0,15…0,2 В. Поэтому при номинальном дляиндикаторов ИВ-6 напряжении накала 1 В напряжение на обмотке III трансформатораТ1 должно быть равно 1,2 В.
Когда таймер включен всеть, но находится в пассивном режиме, из всех его узлов работает тольковыпрямитель на диодном мосте VD6. Образцового напряжения на базе транзистораVT3 нет, поэтому транзисторы VT3 и VT4 закрыты и напряжение в цепи +9 Вотсутствует. Ключ VT1VT2 разомкнут, так как для открывания транзисторовнеобходимо, чтобы напряжение в цепи +9 В превысило напряжение стабилизациистабилитрона VD10.
При нажатии любой изкнопок SB2 «Устан. единиц» или SB3 «Устан. десятков» напряжение с конденсатораСЗ фильтра выпрямителя через резистор R8 поступает на стабилитрон VD8,ограничивающий его на уровне приблизительно 9 В. По цепи VD3R3 напряжениеподается на базу транзистора VT3, открывает его и приводит стабилизатор вдействие. Напряжение +9 В поступает на все узлы таймера, а ключ VT1VT2 включаетнакал индикаторов.
В дальнейшем (послеотпускания кнопок SB2, SB3) напряжение в цепи формирования образцовогонапряжения стабилизатора присутствует благодаря диодам VD1 и VD4. Их анодысоединены с такими точками таймера, что в течение всего времени выдержки извучания сигнала напряжение хотя бы в одной из них имеет высокий логическийуровень. По окончании выдержки и сигнала уровни в обоих точках становятсянизкими, образцовое напряжение на базе транзистора VT3 снижается почти до нуляи таймер переходит в пассивное состояние. Во время выдержки можно принудительнопривести его в это состояние, нажав на кнопку SB1 «Выкл.».
В момент включениянапряжения +9 В цепь C9R15 формирует короткий импульс, записывающий в счетчикединиц DD3 код цифры 9 (он задан соответствующим подключением входов D1-D8), ав счетчик десятков DD4 — код нуля. Эти цифры появляются на индикаторах, и еслинажатую кнопку немедленно отпустить, таймер отработает выдержку в 9 минут илисекунд (в зависимости от положения переключателя SA1). Но если кнопку SB2 илиSB3 удерживать нажатой, импульсы частотой 2 Гц поступают на тактовый входсоответствующего счетчика (DD3 или DD4), уменьшая на 1 его содержимое с каждымимпульсом.
Чтобы на выводе 10микросхемы DD2 импульс появился ровно через 60 с после окончания установкивремени (отпускания кнопок), работа счетчика секунд микросхемы DD2заблокирована высоким логическим уровнем, поступающим на ее вывод 9 состабилитрона VD8, пока хоть одна из кнопок нажата.
После отпускания кнопоктактовый вход счетчика DD3 через переключатель SA1 оказывается соединенным свыходом минутных или секундных импульсов микросхемы DD2, а тактовый входсчетчика DD4 — с выходом переноса счетчика DD3. Идет отсчет времени выдержки.По его истечении содержимое обеих счетчиков станет нулевым, на их выходахпереноса (выводах 7) одновременно появится низкий уровень, диоды VD11, VD12будут закрыты и начнется зарядка конденсатора С1 по цепи R1R2R24. Высокийуровень на выходе элемента DD1.1 разрешит работу генератора звукового сигнала.Примерно через 5 с конденсатор С1 зарядится до уровня переключения элементаDD1.1, высокий уровень на выходе которого сменится низким, что прекратитзвуковой сигнал и переведет таймер в пассивное состояние. Сигнал с выходаэлемента DD1.1 поступает и на вывод 5 микросхемы DD2, запрещая ее работу. Иначев «секундном» интервале выдержек счетчики DD3, DD4 могут изменить состояние вовремя звучания сигнала, что приведет к сбою.
Печатная плата таймера,изготовлена из одностороннефольгированного стеклотекстолита. Выводы и корпусдвижкового переключателя ПД-9 (SA1) припаивают непосредственно к контактнымплощадкам. Постоянные резисторы — МЛТ, С2-33 или импортные указанной на схемемощности. Подстроечный резистор R20 — СПЗ-16, СПЗ-38а или СПЗ-38в, вместо негоможно установить предварительно подобранный постоянный резистор. Переменныйрезистор R26 — СП4-1 или СПЗ-ба. Его крепят на П-образном кронштейне излистовой латуни или стали толщиной 0,5…0,8 мм. Если необходимости врегулировке громкости нет, переменный резистор R26 тоже можно заменитьподобранным постоянным.
Все оксидныеконденсаторы — К50-6, К50-16, К53-35 или К53-1а, остальные — керамические КМ,КД или импортные. Диоды КД521А можно заменить на КД522 с любым буквенныминдексом. Два-три аналогичных диода, соединенных последовательно, заменятсветодиод HL1.
Транзисторы VT1, VT2 — КТ817 с любым буквенным индексом и коэффициентом п21Э не менее 80. ТранзисторыVT3, VT4 должны иметь п21Э не менее 60 (здесь подойдут и транзисторы серийКТ315, КТ361). Составной транзистор КТ972А можно заменить обычным КТ503 с любымбуквенным индексом (п21Э — не менее 100), причем в цепь его эмиттера необходимовключить в прямом направлении диод серии КД521 или КД522.
Трансформатор питанияТ1 — ТП-321. Используя довольно большой зазор между его вторичной (II согласносхеме таймера) обмоткой и магнитопроводом, на том же каркасе дополнительнонаматывают обмотку III — 38 витков провода ПЭЛШО 0,25…0,31 мм. Если вкачестве HG1, HG2 применены не ИВ-6, а другие семиэлементные люминесцентныеиндикаторы (ИВ-3, ИВ-За, ИВ-22), число витков обмотки III нужно изменить такимобразом, чтобы получить необходимое напряжение накала. Вместо указанного вышетрансформатора можно использовать другие, подходящие по габаритной мощности (неменее 3 Вт) со вторичными обмотками на 12…18 В (II) и 1,2 В (III) илипозволяющие намотать такие обмотки. Трансформатор желательно выбирать из числаимеющих отдельную изолированную секцию каркаса для вторичных обмоток. Этообеспечит необходимую электробезопасность таймера.
Резистор R5 уменьшаетток холостого хода постоянно включенного в сеть трансформатора, снижает егонагрев и повышает надежность [1]. Указанные на схеме рис. 1 номинал и мощностьрезистора оптимальны для трансформатора ТП-321, ток холостого хода которого непревышает 5… .7 мА. С трансформатором, ток холостого хода которого более 10мА, можно использовать резистор МЛТ-2 номиналом 1,2…1,5 кОм, но лучше — реактивное балластное сопротивление, что уменьшит выделение тепла. Для этогохорошо подходят обмотки реле РСМ, РЭС6, РЭС22 на рабочее напряжение 24 В. Якорьреле необходимо зафиксировать в притянутом
Первыми рекомендуетсямонтировать трансформатор Т1, диодный мост VD6, конденсатор СЗ и деталистабилизатора напряжения. Для проверки к выходу стабилизатора временноподключают эквивалент нагрузки — резистор МЛТ-1 сопротивлением 470…560 Ом, амежду базой транзистора VT3 и положительным выводом конденсатора СЗ — резисторМЛТ-0,25 номиналом 15… 18 кОм. Выходное напряжение стабилизатора должнонаходиться в пределах 9…9,5 В. При необходимости его можно немного изменить,устанавливая другие экземпляры стабилитронов VD7 и VD9.
До первого включениятаймера в сеть неплохо закрепить на его плате у трансформатора Т1 со стороныпечатных проводников пластину из изоляционного материала размерами 47×35 мм(например, прижав ее винтами крепления трансформатора). Пластина должна закрытьвсе проводники и выводы элементов, связанные с сетью 220 В. Резистор R5 иплавкую вставку FU1 тоже желательно хорошо изолировать. Это позволит проверятьи налаживать таймер, не опасаясь поражения электрическим током.
Проверив работустабилизатора, можно удалить временно установленные резисторы и продолжитьмонтаж. Лучше начать с проволочных перемычек, потому что некоторые из них вдальнейшем окажутся под микросхемами. Одна из перемычек, выделенная на рис. 2жирной линией, служит не только соединительным проводом, но и элементомкрепления индикаторов ИВ-6. Ее размеры, выбраны с учетом высоты трансформатораТП-321 и диаметра баллонов индикаторов. Эту перемычку лучше смонтировать послемикросхемы DD1, но до установки индикаторов. Их располагают параллельно платетаким образом, чтобы верхнюю часть баллонов можно было прикрепить к перемычке спомощью ниток и клея.
Установив все детали ивизуально проверив правильность монтажа, убедитесь в отсутствии замыканий вцепях питания, «прозвонив» их омметром. Правильно собранный таймер начинаетработать сразу после включения в сеть и нажатия одной из кнопок SB2 или SB3 — светятся цифры на индикаторах, идет обратный отсчет времени. В противном случаепридется проверить напряжение питания микросхем (9 В) и переменное напряжениенакала индикаторов (0,95…1,05 В). Если при включенном таймере отсутствуютимпульсы на выходах микросхемы DD2 либо частота их следования отличается отноминальной, наиболее частая причина — неисправность кварцевого резонатора.
Таймер пригоден нетолько для подачи звукового сигнала, но и для включения на заданное времякакой-либо нагрузки, например, нагревателя или вентилятора. Конечно, для этогопотребуется электронный ключ или реле соответствующей мощности. Выходомуправляющего ключом сигнала послужит точка А (см. рис. 1). К сожалению,нагрузочная способность этого выхода невелика. Более мощный сигнал — напряжение9 В непосредственно с выхода стабилизатора. Но учтите, его продолжительностьбольше заданной выдержки на время звучания звукового сигнала.
Обратите внимание, чтона печатной плате (см. рис. 2) входы неиспользуемого элемента микросхемы DD1соединены с точкой А. Поэтому на выходе упомянутого элемента (выводе 11 DD1) вовремя отсчета выдержки — лог. 0, во время звукового сигнала — лог. 1, а впассивном состоянии таймера он находится в высокоимпедансном состоянии.
Устанавливают выдержкуследующим образом. При нажатии на любую из кнопок SB2 или SB3 таймер включается(если, конечно, сетевая вилка вставлена в розетку) и на его индикаторахвысвечивается число 09. При удержании нажатой, например, кнопки SB2 цифра вразряде единиц дважды в секунду уменьшается на 1 (9, 8, 7,…, 1, 0, 9,…).При нажатой кнопке «Устан. десятков» с той же частотой сменяются цифры вразряде десятков (9, 0, 18, 9, 0…).
Таким образом, можнозадать любую выдержку в интервале 0-99 минут или секунд. Единицу отсчетавыбирают с помощью переключателя SA1. Автоматический отсчет выдержки идет смомента отпускания кнопок.
Запоминание выбранногозначения выдержки не предусмотрено. Поэтому ее каждый раз задают заново.Очередность нажатия кнопок установки в большинстве случаев безразлична. Однаково избежание сбоев не рекомендуется нажимать кнопку SB/>/>3 «Устан».
2. Функциональноеописание работы цифрового кухонного таймера
/>/>/>/>Трансформатор преобразует напряжение в 14.5В дляпитания таймера.
/>/>/>/>Диодный мост выпрямляет напряжение, преобразуя егоиз переменного в постоянное. Это напряжение питает всю схему.
На тактовый генераторподается напряжение при замыкании кнопки включения и он начинает производитьсигналы определенной частоты.
Счетчики на которыхзаранее выставлено время, начинают считать сигналы тактового генератора.Установленное время идет на уменьшение.
Дешифраторы преобразуютсигналы счетчиков и отправляют их на индикаторы.
Когда счетчик прекратитотсчет импульсов, он подает сигнал на блок включения звука. Пока сигналпоступает звучит звуковой сигнал. Блок включения звука разрешает работугенератору звуковой частоты.
Генератор звуковойчастоты вырабатывает сигнал.
Усилитель этот сигналпропускает и отправляет его на звуковой излучатель.
3.Описание работы тактового генератора
Микросхема К176ИЕ12(DD2), разработанная для использования в электронных часах, имеет очень широкиефункциональные возможности. В ее состав входят генератор, рассчитанный наработу с внешним кварцевым резонатором на частоту 32 768 Гц (выводы 12 и 13), идва делителя частоты с коэффициентами деления 2^15= 32768 и 60 (выводы 4, 7,10). Следовательно, на выходах микросхемы формируются секундные и минутныеимпульсы. Микросхема позволяет реализовывать и некоторые другие функции,связанные с ее применением в электронных часах. В исходное состояние микросхемуустанавливают подачей напряжения высокого уровня на входы R (выводы 5, 9).
Эпюры напряжений нанекоторых выводах микросхемы К176ИЕ12 представлены на рис. 1.
/>
Рис. 1
Особенность микросхемыК176ИЕ12 в том, что первый спад на выходе минутных импульсов М появляетсяспустя 59 с после подачи напряжения низкого уровня на вход сброса R. Этоследует учитывать при эксплуатации устройств, собранных на микросхеме.
Рассмотрим работу релевремени (контакты выключателя питания SA5 замкнуты). Выбор нужной выдержкивремени осуществляют переключателями SA1 («Минуты» — «Секунды»), SA2 («х1» — «х10»), SA3, SA4(«Единицы», «Десятки»). После этого замыкают контактывыключателя SA6 «Пуск». При этом на выводах 10, 4, 11 микросхемы DD2появляются импульсы с частотами соответственно 1/60, 1 и 1024 Гц. В зависимостиот положения переключателя SA1 на выводы 2, 8 логического элемента DD3.2поступают минутные или секундные импульсы. На выводе 1 этого же элемента — напряжение высокого уровня, поданное с выхода логического элемента DD3.3(поскольку на его входах — выводах 11, 12, 13 — напряжение низкого уровня).Следовательно, импульсы поступают на вход СР микросхемы DD4, и если контактыпереключателя SA2 находятся в показанном на схеме положении — то и нааналогичный вход микросхемы DD5 (рис. 2).
/>
Рис. 2
Логический элементDD2.1 инвертирует секундные импульсы, поступающие на нормально замкнутыйконтакт переключателя SA1. Это сделано для того, чтобы на выводы 2, 8логического элемента DD3.2 поступали или секундные, или минутные импульсы, укоторых период относительно исходного состояния входа R определяется спадомимпульса (или, что то же самое, срезом импульса). На вход СР микросхемы DD4импульсы поступают в противофазе благодаря применению логического элементаDD3.2, т.е. секундный или минутный интервал определяется положительнымперепадом напряжения на входе СР, переключающим триггеры микросхемы.
Через некоторое время,определяемое положением подвижных контактов переключателей SA3 и SA4, на этихконтактах появятся одновременно напряжения высокого уровня. Напряжение низкогоуровня, появившееся на выходе логического элемента DD3.3, запретит дальнейшеепоступление импульсов на входы микросхем DD4, DD5 и откроет транзистор VT2. Навывод 5 логического элемента DD3.1 поступит напряжение высокого уровня. На базутранзистора VT1 начнут поступать импульсы с интервалом 1 с, модулированныечастотой 1024 Гц (роль модулятора, или суммирующего устройства, выполняетлогический элемент DD3.1). В излучателе НА1 будет слышен прерывистый звуковойсигнал, свидетельствующий об окончании выдержки времени.
Микросхему К176ЛА7(DD2) можно заменить на К561ЛА7, К176ЛА9 (DD3) — на К561ЛА9, К176ИЕ8 (DD4-DD6)- на К561ИЕ8. Транзисторы VT1, VT2 — любые из серий КТ203, КТ361, КТ501, КТ502.Кварцевый резонатор Z1 — малогабаритный на частоту 32768 Гц, предназначенныйдля использования в электронных часах. Конденсаторы Cl, C2 — типов КЛС, КМ, КТ,К10-7в. К10-23. Резисторы — МЛТ-0,25. Звуковой излучатель — микрофонный капсюльДЭМШ-1А или телефонный капсюль любого типа с сопротивлением катушки постоянномутоку не менее 65 Ом (например, ТА-4, ТК-47, ТК-67). Переключатели SA1, SA2,SA5, SA6 — типа П1Т; SA3, SA4 — МПН-1. Такое реле времени, свободно умещающеесяв кармане, удобно использовать в качестве таймера или будильника. Несложная приставкак реле времени позволяет с его помощью управлять нагрузкой. Переключателем SA1выбирают режим коммутации нагрузки. В положении 1 управление нагрузкой неосуществляется, и цепи узла управления нагрузкой (оптроны Ul, U2) отключены отколлектора транзистора VT1; это сделано для того, чтобы не расходовать напрасноэнергию батареи GB1 на питание узла управления, если нагрузка отключена, а релевремени используется только в качестве будильника. По истечении заданноговремени в положении 2 переключателя SA1 реле времени включает нагрузку, а вположении 3 — выключает нагрузку (в течение заданного времени она включена).
/>4. Перечень элементов к электрическойсхеме№ Обозначение на принципиальной схеме Условное обозначение микросхемы Кол-во Примечание 1 DD2 K176ИЕ12 1 Тактовый генератор 2 DD3, DD4 К561ИЕ14 2 Счетчики импульсов 3 DD5,DD6 К176ИД2 2 Дешифратор 4. BF1 ДЭМШ-1А 1 Звуковой излучатель 5. DА2 К554СА3А 1 Компаратор 6 VD1,VD2,VD3,VD4,VD5,VD11,VD12,VD13 КД521А 8 Диоды 7 VD6 КЦ407А 1 Диоды 8 VD7, VD9, VD10, КС156B 3 Стабилитрон 9 VD8 КС191А 1 Стабилитрон 10 HG1,HG2 ИВ-6 2 Индикатор 11 T1 ТП-321 1 Трансформатор 12 VT1,VT2 КТ817A 2 Транзистор 13 VT3,VT4 КТ502A 2 Транзистор 14 VT5 КТ972A 1 Транзистор
/>5. Назначение элементов схемы
Назначение каждого изэлементов рассматриваемого ключа описано в таблице 5.1.
Таблица 5.1 — Назначение элементов схемыОбозначение элемента Назначение элемента Т1 Преобразует напряжение 220 вольт в 14,5 вольт VD6 Выпрямляет переменное напряжение VT3, VT4 Стабилизирует напряжение DD2. Генератор тактовый DD3, DD4. Счетчики импульсов тактового генератора DD5, DD6. Дешифраторы HG1, HG2. Индикаторы времени DD1.3 Генератор звуковой частоты VT5 Усилитель генератора звуковой частоты DD1.2, R 19. Придает звуковому сигналу вибрирующий характер C11,R23, VD13,R27 Собран узел плавного повышения громкости DD1.1 Формирует импульс в течение которого включен звуковой сигнал SB1 Кнопка включения SB2, SB3 Кнопки установки временного интервала VT1,VT2. Транзисторный ключ VD 10 Открывает транзисторный ключ
/>Заключение
В данной контрольнойработе изучено и подробно описано устройство, и принцип действия. В цифровомкухонном таймере, определены функции каждого элемента системы и установлены их взаимосвязи.Среди достоинств рассматриваемой схемы можно выделить функциональность,некритичность к выбору элементов, удобство и высокую экономическуюэффективность использования.
Литература
1. АндреевВ. Уменьшение нагрева трансформаторов маломощных блоков питания. — Радио, 2003,№ 6, с. 24.
2. ЛукьяновД. Необычные «профессии» микросхем для часов. — Радио, 1988, № 12, с. 31.
3. ГусевВ.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.; Высшаяшкола.,2005.
4. Цифровыеи аналоговые интегральные микросхемы: Справочник — М.: Радио любитель, 2000.
5. ЛачинВ.И., Савёлов Н.С. Электроника. — Л.; «Феникс», 2002.
6. КалабековБ.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. – М.; Горячая линия — ТЕЛЕКОМ, 2002.
7. БраммерЮ.А. Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства.- М.; ВШ, 2002.
Приложение
цифровой релетаймер микросхема
Принципиальная схематаймера
/>