Для управління різного роду електроустановками у побуті та на виробництві нерідко виникає необхідність багаторазового їх вмикання та вимикання через певні тимчасові інтервали. Це завдання зазвичай успішно вирішується за допомогою цифрових таймерів з пам'яттю. В опублікованій статті нижче увазі читачів пропонується опис варіанту пристрої такого призначення, яке можна виготовити самостійно.
Програмований автомат призначений для управління мережевими електроприладами малої і середньої (до 1 кВт) потужності. У побуті він може бути використаний, наприклад, для управління люстрою Чижевського або електроопалювальними приладами в житловому приміщенні. Автор використовував автомат для управління комп'ютером, связывающимся з BBS в нічний час доби.
Автомат містить два ідентичних незалежних програмованих канали, кожний з яких керує однією навантаженням. Число каналів може бути довільно збільшено без принципових доробок базових вузлів самого пристрою. Під час його роботи відбувається відлік реального часу і індикація поточного значення годиннику і хвилинах, а також порядкових номерів від 1 до 7) днів тижня.
Максимальна тривалість керуючої програми в кожному з каналів становить одні добу, однак при необхідності користувач може дозволити або заборонити виконання записаної в пам'ять добової програми в будь-який з семи діб тижня. Мінімальний програмований інтервал між двома подіями становить одну хвилину. Під подією тут розуміється включення або виключення керованої навантаження. Таким чином, максимальна кількість програмованих подій одно числа хвилин в добі, тобто 1440. У будь-який момент часу за допомогою органів управління можна змінити поточні стану навантажень. Очищення (обнулення) пам'яті перед програмуванням проводиться автоматичним перебором адрес по команді користувача в обох каналах відразу або в кожному окремо.
При програмуванні передбачена можливість як поадресной запису, так і поадресного стирання даних в пам'яті. В автоматі є генератор ЗЧ, який може подавати звукові сигнали у моменти настання кожного запрограмованого події. При відключенні напруги передбачено автоматичне перемикання цифровий (слабкострумової) частини пристрою на харчування від резервної батареї, що дозволяє зберегти безперервний лік часу і уникнути змін поточних станів керуючих навантаженнями тригерів.
Структурна схема автомата наведена на рис. 1. Він складається з блоку рахунку та індикації, двох однакових канальних блоків, електронних реле, а також генератора ЗЧ, який може бути підключений до будь-якого з каналів (на схемі, наприклад, до каналу 1).
У блоці рахунку та індикації відбувається відлік часу і дня тижня, відображення їх значень на індикаторах, а також формування адрес для оперативної пам'яті каналів.
Вузол управління встановлює лічильники у потрібне положення і виробляє операції з пам'яттю каналів. Синхронізатор виробляє лічильні та керуючі послідовності імпульсів. ОЗП зберігає програму управління станом навантажень в кожному з каналів. Вузли стану перетворять лічені з ОЗП імпульсні сигнали напруги певного логічного рівня, які керують електронними реле, коммутирующими подається на навантаження мережне напруга.
Принципова схема блоку рахунку та індикації наведена на рис. 2. Він являє собою електронні годинники. Функції джерела рахувальних і керуючих послідовностей імпульсів (синхронізатора) виконує у них спеціалізована працює мікросхема DD12 (К176ИЕ18), що містить кварцовий генератор. З її висновків знімаються наступні сигнали: з вив. 10 - лічильні хвилинні імпульси (1/60 Гц), які через ланцюг укорочення на елементах DD1.5, DD1.6, С15, R18 та елементи DD13.4, DD4.3, DD4.2 надходять на лічильний вхід лічильника одиниць хвилин DD7.1; з вив. 4 - секундні імпульси, що використовуються для індикації секундного ритму світлодіод HL1; з вив. 11 - імпульси з частотою 1024 Гц, які проходять через лічильник-дільник на два DD2.2, після чого частота їх знижується до 512 Гц; з вив. 6 - імпульси з частотою 2 Гц, що забезпечують блимання знакомісць індикаторів HG1 - HG4 в режимі встановлення їх показань.
(натисніть для збільшення)
Рахункова частина розглянутого блоку побудована за розповсюдженою схемою з послідовним з'єднанням лічильників з заданими коефіцієнтами перерахунку і статичної індикацією їх станів семисегментными індикатори HG1 - HG5. Адресна шина АТ - А15 сформована із задіяних при рахунку розрядів мікросхеми DD7, DD10, DD14. Особливістю пропонованого схемотехнічного рішення є можливість оперативного зміни стану кожного з користувачем лічильників, що полегшує запис в пам'ять даних при програмуванні.
Керують блоком кнопками SB1 - "Установка", SB2 - "Перебір знакомісць" та SB3 - "Режим". У вихідному стані на вив. 6 дешифратора DD6 присутній високий логічний рівень, тому на всіх його виходах (вив. 1, 5, 2, 4, 12, 14, 15, 11) будуть низькі рівні, що забороняють проходження настановних імпульсів від кнопки SB1 до лічильників DD7.1, DD7.2, DD10.1, DD10.2 через елементи DD4.1, DD5.4, DD9.3, DD11.3 і дозволяють перетворення дешифраторам DD16 - DD19. При однократному натисканні на кнопку SB3 тригер DD8.1 переходить в одиничний стан, дозволяючи роботу комутаторів дешифратора DD6, на одному з виходів (вив. 1, 5, 2, 4) якого з'являється високий рівень, а на іншому (вив. 12, 14, 15, 11) - імпульси з частотою 2 Гц. В результаті одне з чотирьох знакомісць HG1 - Н4 починає блимати з вказаною частотою. З допомогою кнопки SB1 змінюють стан лічильника цього знакомісця (показання індикатора). "Активність" того чи іншого знакомісця залежить від стану лічильника DD2.1 у момент натискання на кнопку SB3. Змінити стан лічильника DD2.1 можна за допомогою кнопки SB2. Таким чином, послідовно встановлюючи показання індикаторів кожного знакомісця, можна дуже швидко виставити потрібний час (адреса на адресній шині).
Стан лічильника доби тижня DD14 встановлюють шляхом переносу при установці стану лічильника десятків годин DD10.2. Слід зауважити, що встановлення необхідних показань індикаторів зручніше починати з одиниць хвилин і закінчувати днями тижня, так як вже встановлене значення в старшому знакоместе буде збільшене на одиницю перенесенням, який може відбутися при установці значення молодшому знакоместе. Кнопка SB5 "Початкова установка" призначена для точного {до секунд) встановлення годин по еталонному джерела. У момент натискання на цю кнопку обнуляється внутрішній лічильник секунд мікросхеми DD12 і лічильники одиниць і десятків хвилин мікросхем DD7.1, DD7.2.
Крім сигналів адрес АТ - А15, з блоку рахунку та індикації знімаються ще декілька керуючих сигналів: з вив. 4 мікросхеми DD3.2 (ланцюг 1) - короткі хвилинні імпульси, настановні імпульси від кнопки SB1; з вив. 6 мікросхеми DD15.3 (ланцюг 2) - імпульси від кнопки SB6 "Запис", а також імпульси частотою 512 Гц (в режимі очищення пам'яті); з вив. 13 мікросхеми DD8 (ланцюг 3) - статичний сигнал, високий рівень якого забезпечує реалізацію режиму очищення пам'яті.
Режим очищення пам'яті встановлюється при одноразовому натисканні на кнопку SB4 "Очищення" в тому випадку, якщо контакти вимикача розблокування очищення SA1 замкнуті. У цьому режимі тригер DD8.2 переходить в стан логічної 1, проходження хвилинних імпульсів на лічильний вхід лічильника DD7.1 через елемент DD13.4 забороняється, а проходження імпульсів частотою 512 Гц через елемент DD4.4 дозволяється. В результаті відбувається рахунок {перебір адрес) з частотою 512 Гц. Повторне натискання на кнопку SB4 повертає тригер DD8.2 у початковий стан логічного нуля. При початковому включенні живлення обидва тригера DD8 встановлюються в стан логічного нуля ланцюгом С13R11.
Кнопки SB1, SB6 мають пристрій захисту від брязкоту контактів, виконане на елементи DD1.1, DD1.2, DD15.1, DD15.2. Ланцюг DD1.5, С15, R18, DD1.6 вкорочує довгий хвилинний імпульс з вив. 10 мікросхеми DD12. В іншому випадку цей імпульс на кілька десятків секунд у кожній хвилині забороняв би установку стану лічильника DD7.1 кнопкою SB1.
На рис. 3 приведена принципова схема блоку каналів програмованого автомата. Тут же зображена схема загального для обох каналів пристрою, виконаного на елементах DD1, DD2, DD3.1, DD3.2, DD4.1, DD4.2, DD5.1, DD5.2, яке виробляє сигнали, що керують пам'яттю.
Тепер розглянемо роботу першого каналу в режимі запису при рахунку реального часу. Як показано на рис. 3, від адресної шини АТ - А15 відводиться розряд А12. Від його стану залежить вибір мікросхеми ОЗП, до якої здійснюється звернення. Припустимо, що в даний момент цей розряд знаходиться в одиничному стані і для звернення активним низьким рівнем сигналу РЄ (вив. 10 DD7, DD8) вибрано мікросхема DD7. Мікросхема DD8 в цьому випадку встановлюється виходу в третє стан.
(натисніть для збільшення)
При зміні адреси на шині адрес АТ - А15 (по фронту хвилинного або установочного імпульсу, що надходить з блоку рахунку та індикації) одновібратор DD1.1 формує імпульс високого рівня, протягом якого звернення до мікросхеми DD7 забороняється щоб уникнути зчитування в цей момент даних з пам'яті. У проміжки між імпульсами, сформованими мікросхеми DD1.1, на виході мікросхеми DD7 (вив. 7) встановлюється логічний рівень, що відповідає біту даних, зчитаного за поточною адресою.
Для запису біта даних в пам'ять за вказаною адресою користувач повинен виставити його на шині кнопками управління блоку рахунку та індикації. Потім вимикачем SA3 слід вибрати передбачуваний для запису рівень: логічний нуль або логічну одиницю. У разі вибору одиниці в пам'ять буде записано подія, яке відбудеться у встановлений час. При записі нуля можна, наприклад, стерти записане раніше за цією адресою подія. Далі потрібно натиснути одноразово на кнопку SB6 "Запис" (див. рис. 2). По фронту імпульсу, який по ланцюгу 2 надійде на одновібратор DD1.2, останній формує на своїх виходах імпульси записи (рис. 4,а).
З прямого виходу мікросхеми DD1.2 (вив. 10) імпульс запису надходить на вузол формування коротких імпульсів по фронту і спаду імпульсу запис, виконаний на елементах DD2.1, R3, С13, DD2.2, DD2.3. З інверсного виходу мікросхеми DD1.2 (вив. 9) імпульс запису потрапляє на вузол затримки елементи DD5.1, R4, С14, DD5.2, а потім на вив. 8 мікросхем пам'яті DD7, DD8. Час затримки підібрано таким чином, щоб в моменти перепадів сигналу (імпульсу) запису на вив. 8 мікросхеми DD7 звернення до неї заборонялося надходять на її вив. 10 короткими імпульсами з вив. 10 мікросхеми DD2.3. Таким чином, створюються необхідні умови для коректної роботи тактируемых мікросхем ОЗП КР537РУ2 відповідно до паспортним режимом [1]. Після закінчення другого короткого імпульсу з вив. 10 мікросхеми DD2.3 на вив. 7 мікросхеми DD7 встановлюється логічний рівень, відповідний тільки що записаного біту даних (рис. 4,а).
Розряди А13 - А15 лічильника доби тижні (див. рис. 2) на мікросхеми пам'яті не надходять, а подаються на дешифратор DD14 в якості адреси комутованого електронного ключа мікросхеми. Входи електронних ключів DD14(вив. 14, 15, 12, 1, 5, 2, 4) і вимикачі SA7-SA13 відповідають дням тижня, з понеділка по неділя. Якщо один з вимикачів у відповідний день тижня замкнутий, високий рівень напруги, присутній при цьому на вив. 3 мікросхеми DD14, дозволяє проходження високого логічного рівня з вив. 7 ОЗП DD7, DD8 через мікросхему DD4.3. При розімкнутому стані вимикачів низький рівень на вив. 3 мікросхеми DD14 забороняє назване вище проходження. Ланцюг C18R12 формує по фронту зчитаного з пам'яті напруги високого рівня імпульс перемикання тригера стану навантаження DD13.1. Користувач може в будь-який момент змінити стан тригера за допомогою кнопки SB1, контролюючи його по наявності або відсутності світіння світлодіода HL3. Якщо програмування проводиться при підключеній навантаженні, то її слід тимчасово відключити вимикачем SA6. Контроль її стану проводиться за світіння світлодіода HL4. Всякий раз, коли на вхід С (вив. 3) тригера DD13.1 приходить імпульс перемикання, в телефоні BF1 лунає короткий звуковий сигнал високого тону, формується генератором 3Ч на елементах С17, R10, DD5.3, DD3.3.
Перед записом програм в пам'ять необхідно очистити її, тобто записати по всім доступним адресами логічні нулі. Перебір адрес при очищенні проводиться з порівняно низькою частотою 512 Гц (рис. 4,б), що дозволяє візуально (за відсутності спалахів світлодіода HL2) і на слух (за зникнення сигналу, відтвореного телефоном BF1) контролювати відсутність в пам'яті логічних одиниць. Цикл очищення (перебір всіх значень часу) бажано повторити 2-3 рази. Це займає всього кілька секунд. Вимикач повинен бути SA3 попередньо встановлено в положення "0". Якщо потрібно працювати з пам'яттю тільки одного каналу, не зачіпаючи зміст пам'яті іншого, то можна заблокувати останню звернення перекладом відповідного вимикача SA1 або SA2 "Блокування пам'яті" в нижнє за схемою становище. Під час режиму очищення тригери стану навантаження DD13.1 і DD13.2 в обох каналах переводяться в стан логічного нуля високим рівнем на R-вході (вив. 4 і 10). Звуковий генератор сигналу, виконаний на мікросхемі DD6, входом дозволу (вив. 1 DD6) підключається до вив. 3 мікросхеми DD11.1 першого або до вив. 10 мікросхеми DD11.3 другого каналу. У разі зчитування з пам'яті високого рівня в заданий при замкнутому вимикачі SA4 "Будильник" переривчастий сигнал лунатиме протягом однієї хвилини.
Принципова схема електронних реле і блоку живлення програмованого автомата наведена на рис. 5. Цифрова частина електронних реле виконана на базі пристрою, описаного в [3]. В якості силових елементів електронних реле використовуються симісторні комутатори VS1, VS2, недоліком яких є наявність комутаційних викидів і спотворення синусоїдальної форми струму при управлінні потужними реактивними навантаженнями. У пропонованому пристрої навантаження комутується в момент переходу змінного напруги через нуль, тому при перемиканнях чисто активних навантажень від викидів вдалося повністю позбутися.
(натисніть для збільшення)
Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу блоку електронних реле, представлені на рис. 6.
Позитивний перепад напруги, що надходить для включення навантаження на вхід D тригера (вив. 5 DD2.1) в довільний момент t1, буде переданий на вихід (вив. 1 DD2.1) тільки в момент приходу на його вхід З (вив. 3 DD2.1) короткого імпульсу, що збігається у часі з переходом мережевої напруги через нуль. Наявність вузла затримки короткого імпульсу на елементах DD1.2, R9, С7, DD1.3 не є обов'язковим і принциповим, проте дозволяє точно поєднати з часу передній фронт імпульсу, що надходить на вхід С тригера з моментом переходу мережевої напруги через нуль (провалу пульсуючого напруги на висновки 1, 2 мікросхеми DD1.1).
Використання оптопар U1 - U4 дозволило повністю розв'язати блок електронних реле і цифрову частину автомата.
В блоці живлення встановлені два інтегральних стабілізатора DA1 і DA2. Перший з них забезпечує живлення цифрової частини автомата. Його вхідна напруга зарезервований батареї GB1 з ланцюгом автоматичного включення на діодах VD2, VD3. Другий стабілізатор використовується для живлення оптопар, світлодіодів і семисегментних індикаторів. Мережевий фільтр C8L2L3C9 пригнічує викиди і перешкоди мережевої напруги.
До елементній базі автомата жорстких вимог не пред'являється.
Автор використав резистори ОМЛТ зазначеної на схемах потужності, оксидні конденсатори - К50-16, решта - КМ, КОР; кнопки SB1 - SB6 (див. рис. 2) і SB1, SB2 (див. рис.3) - КМ1-1; вимикачі SA1, SA2 (див. рис. 3) - МТЗ, SA3, SA6, SA15 (див. рис. 3) і SA1 (див. рис. 2) - m т1, SA4 (див. рис. 3), SA1(cm. рис. 5) - ПК4-1, вимикачі "Дні тижня" SA7 - SA13, SA16 - SA22 - складання микровыключателей ВДМ1-8. Восьмий вимикач в збірці використовується в якості SA5, SA14 ("Звук"). Семисегментные світлодіодні індикатори будь з загальним катодом (краще використовувати імпортні, наприклад, LTS547AP). Транзистори КТ315 з будь-яким буквеним індексом, кварцовий резонатор BQ1 на частоту 32 768 Гц, телефонний капсуль BF1 - будь опором 200...300 Ом, наприклад, імпортний DH30F. Сімістори КУ208Г можна замінити на більш потужні, наприклад, ТС112-16-10-7, однак спотворення синусоїдальної форми струму при управлінні індуктивними навантаженнями стануть в цьому випадку помітніше. В якості електронних реле можна використовувати інтегральні "твердотілі реле" D2410 або D2475 фірми IR, в яких включення реалізовано за нулю напруги, а вимикання - з нуля струму через навантаження [4].
Трансформатор Т1 повинен забезпечувати на вторинній обмотці змінну напругу близько 8 В при струмі навантаження 600 мА. Котушки фільтрів L1 - L3 намотані на кільцях (20x10x4 мм) з фериту М2000НМ-1 проводом МГТФ 0,5 до заповнення, причому котушки L2, L3 намотуються одночасно двома проводами.
Як GB1 використовується батарея з шести пальчикових елементів. Струм, споживаний цифрової частини пристрою від батареї, при відсутності напруги мережі не перевищує 35 мА.
Автомат розміщений в корпусі розмірами 265x200x100 мм. На його передній панелі розташовані органи управління та індикації, а на задній - розетки для підключення навантаження. Сімістори VS1, VS2 встановлені на тепловідводах площею близько 150 см2, а стабілізатор DA2 - на тепловідвід площею 50 см2.
Блок рахунку та індикації та блок каналів змонтовані на окремих платах розмірами 185x80 мм, елементи електронних реле (крім сімісторов VS1, VS2) і блоку живлення (крім конденсаторів С1 - C3, мікросхем DA1, DA2, батареї GB1 і трансформатора Т1) розміщені на загальній платі розмірами 170x80 мм. Конденсатори C3-С10 в блоці рахунки і індикації і С2-С10 в блоці каналів напаяні між висновками "загальний" і "плюс харчування" мікросхем ОЗП, лічильників і тригерів.
При справних деталях і правильному монтажі цифрова частина автомата починає працювати відразу. Налагодження блоку рахунку та індикації зводиться до підстроюванні частоти кварцового генератора на мікросхемі DD12 конденсатором С18. При налагодження блоку каналів підбором резисторів R10, R20 слід встановити потрібну тональність канальних звукових генераторів, а підбором конденсатора С16 - генератора сигналу. Потрібну тривалість звукових сигналів будильника підбирають конденсатором С15. При налагодженні блоку електронних реле слід підібрати резистор R8 таким чином, щоб імпульси низького рівня на вході тригера Шмітта DD1.1 (вив. 1, 2) забезпечували його сталий перемикання. Підбором резистора R9 в ланцюзі затримки слід поєднати за часом фронт імпульсу на вив. 10 мікросхеми DD1.3 з нижньою точкою імпульсу на вив. 1, 2 мікросхеми DD1.1 (рис. 6).
Приступаючи до програмування автомата, необхідно враховувати наступне. Якщо програма містить досить велику кількість подій, рекомендується побудувати тимчасову діаграму, на якій високим рівнем позначити включене стан навантаження, низьким - вимкнений, а перепадами між рівнями - події. Проставивши бажані моменти подій, слід записати за цими адресами в пам'ять одиниці, виставити на індикаторах поточне точний час, підключити до пристрою навантаження і встановити кнопкою "Установка стану" навантаження у початковий стан відповідно до побудованої діаграми.
При запису та контроль даних не можна користуватися кнопкою "Поч. установка", оскільки при натисканні на неї стан адресної шини змінюється, але коректного читання з пам'яті за новою адресою не досягається.
Аналізуючи роботу автомата, легко побачити, що, виключивши з числа адрес, подаються на мікросхеми ОЗП, розряди лічильника одиниць хвилин АТ - A3 і включивши туди розряди лічильника доби А13 - А15, можна отримати пристрій, програмоване на тиждень. Оскільки в результаті розрядність адресної шини ОЗП стане на одиницю менше, то можна буде обійтися однією мікросхемою пам'яті на канал, а також виключити дешифратори DD14, DD15. Мінімальний інтервал між подіями в цьому випадку буде дорівнює десяти хвилин, а максимальна кількість подій у тижневій програмі знизиться до 144x7=1008.
Література
Автор: П. Редькін, Ульяновськ р.